Verilog HDL中编写表达式的基础讲述

本章讲述在Verilog HDL中编写表达式的基础。

表达式由操作数和操作符组成。表达式可以在出现数值的任何地方使用。

4.1 操作数

操作数可以是以下类型中的一种：

1) 常数

2) 参数

3) 线网

4) 寄存器

5) 位选择

6) 部分选择

7) 存储器单元

8) 函数调用

4.1.1 常数

前面的章节已讲述了如何书写常量。下面是一些实例。

256,7                                // 非定长的十进制数。

4'b10_11, 8'h0A             // 定长的整型常量。

'b1, 'hFBA                   // 非定长的整数常量。

90.00006                  // 实数型常量。

"BOND"                // 串常量；每个字符作为8位A S C I I值存储。

表达式中的整数值可被解释为有符号数或无符号数。如果表达式中是十进制整数，例如，12被解释为有符号数。如果整数是基数型整数（定长或非定长），那么该整数作为无符号数对

待。下面举例说明。

12是01100的5位向量形式（有符号）

- 12是10100的5位向量形式（有符号）

5 ' b 01100是十进制数1 2（无符号）

5 ' b 10100是十进制数2 0（无符号）

4 ' d12是十进制数1 2（无符号）

更为重要的是对基数表示或非基数表示的负整数处理方式不同。非基数表示形式的负整数作为有符号数处理，而基数表示形式的负整数值作为无符号数。因此-4 4和-6'o54 （十进制的4 4等于八进制的5 4）在下例中处理不同。

integerCone;

. . .

cone= -44/4

cone = -6'o54/ 4;

注意－4 4和－6 'o54以相同的位模式求值；但是－4 4作为有符号数处理，而－6 'o54作为无符号数处理。因此第一个字符中Cone的值－11，而在第二个赋值中Co e的值为1073741813 

4.1.2 参数

前一章中已对参数作了介绍。参数类似于常量，并且使用参数声明进行说明。下面是参数说明实例。

p a r a m e t e r L O A D = 4'd12, S T O R E = 4'd10;

L O A D 和S TO R E为参数的例子，值分别被声明为1 2和1 0。

4.1.3 线网

可在表达式中使用标量线网（1位）和向量线网（多位）。下面是线网说明实例。

w i r e [0:3] P r t; //P r t 为4位向量线网。

w i r e B d q; //B b q 是标量线网。

线网中的值被解释为无符号数。在连续赋值语句中，

a s s i g n P r t = -3;

P rt被赋于位向量11 0 1，实际上为十进制的1 3。在下面的连续赋值中，

a s s i g n P r t = 4'HA;

P rt被赋于位向量1 0 1 0，即为十进制的1 0。

4.1.4 寄存器

标量和向量寄存器可在表达式中使用。寄存器变量使用寄存器声明进行说明。例如 :

i n t e g e r TemA, TemB;

r e g [1:5] S t a t e;

t i m e Q u e [ 1 : 5 ] ;

整型寄存器中的值被解释为有符号的二进制补码数，而 r e g寄存器或时间寄存器中的值被解释为无符号数。实数和实数时间类型寄存器中的值被解释为有符号浮点数。

TemA = -10; // T e m A值为位向量1 0 1 1 0，是1 0的二进制补码。

TemA = 'b1011; // T e m A值为十进制数1 1。

State = -10; // S t a t e值为位向量1 0 1 1 0，即十进制数2 2。

State = 'b1011; // S t a t e值为位向量0 1 0 1 1，是十进制值1 1。

4.1.5 位选择

位选择从向量中抽取特定的位。形式如下：

n e t _ o r _ r e g _ v e c t o r [b i t _ s e l e c t _ e x p r]

下面是表达式中应用位选择的例子。

S t a t e [1] && S t a t e [4] //寄存器位选择。

P r t [0] | Bbq // 线网位选择。

如果选择表达式的值为x、z，或越界，则位选择的值为x。例如S t a t e [x]值为x。

4.1.6 部分选择

在部分选择中，向量的连续序列被选择。形式如下：

因为C o n e 为非定长整型变量，基数表示形式的负数在机内以补码形式出现。 — 译者注

net _ or _ reg _ vector[msb _ const _ expr: 1sb _ const _expr]

其中范围表达式必须为常数表达式。例如。

state[1:4] // 寄存器部分选择。

P r t [1:3] // 线网部分选择。

选择范围越界或为x,z时，部分选择的值为x。

4.1.7 存储器单元

存储器单元从存储器中选择一个字。形式如下：

memory [word _ address]

例如：

reg [1:8] Ack, Dram[0 :63] ;

. . .

Ack =Dram [60]; //存储器的第6 0个单元。

不允许对存储器变量值部分选择或位选择。例如，

Dram [60] [2] 不允许。

Dram [60] [2:4] 也不允许。

在存储器中读取一个位或部分选择一个字的方法如下：将存储器单元赋值给寄存器变量，然后对该寄存器变量采用部分选择或位选择操作。例如， A c k [2] 和Ack [ 2 : 4 ]是合法的表达式。

4.1.8 函数调用

表达式中可使用函数调用。函数调用可以是系统函数调用（以 $字符开始）或用户定义的函数调用。例如：

$t i m e + S u m O f E v e n t s (A, B)

/ * $t i m e是系统函数，并且S u m O f E v e n t s是在别处定义的用户自定义函数。* /

4.2 操作符

Verilog HDL中的操作符可以分为下述类型：

1) 算术操作符

2) 关系操作符

3) 相等操作符

4) 逻辑操作符

5) 按位操作符

6) 归约操作符

7) 移位操作符

8) 条件操作符

9) 连接和复制操作符

下表显示了所有操作符的优先级和名称。操作符从最高优先级（顶行）到最低优先级（底行）排列。同一行中的操作符优先级相同。

归约操作符为一元操作符，对操作数的各位进行逻辑操作，结果为二进制数。

 

除条件操作符从右向左关联外，其余所有

操作符自左向右关联。下面的表达式：

A + B - C

等价于：

(A + B ) - C / /自左向右

而表达式：

A ? B : C ? D : F

等价于：

A ? B : (C ? D : F) //从右向左

圆扩号能够用于改变优先级的顺序，如以下表达式：

(A ? B : C) ? D : F

4.2.1 算术操作符

算术操作符有：

• +（一元加和二元加）

• －（一元减和二元减）

• *（乘）

• /（除）

• %（取模）

整数除法截断任何小数部分。例如：

7/4 结果为 1

取模操作符求出与第一个操作符符号相同的余数。

7%4 结果为 3

而:

- 7%4 结果为 - 3

如果算术操作符中的任意操作数是 X或Z，那么整个结果为X。例如：

'b10x1 + 'b01111 结果为不确定数' bx x x x x

1. 算术操作结果的长度

算术表达式结果的长度由最长的操作数决定。在赋值语句下，算术操作结果的长度由操

作符左端目标长度决定。考虑如下实例：

reg [0:3] Arc, Bar, Crt ;

reg [0:5] F r x;

. . .

Arc = B a r + C r t;

F r x = B a r + C r t;

第一个加的结果长度由 B a r，C rt和A rc长度决定，长度为 4位。第二个加法操作的长度同样由F rx的长度决定（F rx、B a t和C rt中的最长长度），长度为6位。在第一个赋值中，加法操

作的溢出部分被丢弃；而在第二个赋值中，任何溢出的位存储在结果位 F r x [ 1 ]中。在较大的表达式中，中间结果的长度如何确定？在 Verilog HDL中定义了如下规则：表达式中的所有中间结果应取最大操作数的长度（赋值时，此规则也包括左端目标）。考虑另一个

实例：

w i r e [4:1] Box, Drt;

w i r e [1:5] C f g;

w i r e [1:6] P e g;

w i r e [1:8] A d t;

. . .

a s s i g n A d t = (B o x + C f g) + (D r t + P e g) ;

表达式左端的操作数最长为 6，但是将左端包含在内时，最大长度为 8。所以所有的加操作使用8位进行。例如：B o x和C f g相加的结果长度为8位。

2. 无符号数和有符号数

执行算术操作和赋值时，注意哪些操作数为无符号数、哪些操作数为有符号数非常重要。

无符号数存储在：

• 线网

• 一般寄存器

• 基数格式表示形式的整数

有符号数存储在：

• 整数寄存器

• 十进制形式的整数

下面是一些赋值语句的实例：

r e g [0:5] B a r;

i n t e g e r T a b;

. . .

B a r = -4'd12; //寄存器变量B a r的十进制数为5 2，向量值为1 1 0 1 0 0。

T a b = -4'd12; // 整数T a b的十进制数为- 1 2，位形式为1 1 0 1 0 0。

-4'd12 / 4 // 结果是1 0 7 3 7 4 1 8 2 1。

-12 / 4 // 结果是- 3

因为B a r是普通寄存器类型变量，只存储无符号数。右端表达式的值为 ' b 11 0 1 0 0（1 2的二进制补码）。因此在赋值后， B a r存储十进制值5 2。在第二个赋值中，右端表达式相同，值为' b 11 0 1 0 0，但此时被赋值为存储有符号数的整数寄存器。Ta b存储十进制值－ 1 2（位向量为11 0 1 0 0）。注意在两种情况下，位向量存储内容都相同；但是在第一种情况下，向量被解释为无符号数，而在第二种情况下，向量被解释为有符号数。

下面为具体实例：

B a r = - 4'd12/4;

T a b = - 4'd12 /4;

B a r = - 12/4

T a b = - 12/4

在第一次赋值中，B a r被赋于十进制值6 1（位向量为1111 0 1）。而在第二个赋值中，Ta b被赋于与十进制1 0 7 3 7 4 1 8 2 1（位值为0 0 11 . . . 111 0 1）。B a r在第三个赋值中赋于与第一个赋值相同的值。这是因为B a r只存储无符号数。在第四个赋值中， B a r被赋于十进制值－3。

下面是另一些例子：

B a r = 4 - 6;

T a b = 4 - 6;

B a r被赋于十进制值6 2（－2的二进制补码），而Ta b被赋于十进制值－2（位向量为11111 0）。

下面为另一个实例：

B a r = -2 + (-4);

T a b = -2 + (-4);

B a r被赋于十进制值5 8（位向量为111 0 1 0），而Ta b被赋于十进制值－6（位向量为111 0 1 0）。

4.2.2 关系操作符

关系操作符有：

• >（大于）

• <（小于）

• >=（不小于）

• <=（不大于）

关系操作符的结果为真（ 1）或假（0）。如果操作数中有一位为 X或Z，那么结果为X。例

如：

23 > 45

结果为假（0），而：

52< 8'hxFF

结果为x。如果操作数长度不同，长度较短的操作数在最重要的位方向（左方）添 0补齐。例

如：

'b1000 > = 'b01110

等价于：

'b01000 > = 'b01110

结果为假（0）。

4.2.3 相等关系操作符

相等关系操作符有:

• = =（逻辑相等）

• !=（逻辑不等）

第4章 表 达 式 33

下载

• = = =（全等）

• != =（非全等）

如果比较结果为假，则结果为 0；否则结果为 1。在全等比较中，值 x和z严格按位比较。也就是说，不进行解释，并且结果一定可知。而在逻辑比较中，值 x和z具有通常的意义，且结果可以不为x。也就是说，在逻辑比较中，如果两个操作数之一包含 x或z，结果为未知的值（x）。如下例，假定：

D a t a = 'b11x0;

A d d r = 'b11x0;

那么：

D a t a = = A d d r

不定，也就是说值为x，但：

D a t a = = = A d d r

为真，也就是说值为1。

如果操作数的长度不相等，长度较小的操作数在左侧添 0补位，例如：

2'b10 = = 4'b0010

与下面的表达式相同：

4'b0010 = = 4'b0010

结果为真（1）。

4.2.4 逻辑操作符

逻辑操作符有:

• && (逻辑与)

• || (逻辑或)

• ！(逻辑非)

这些操作符在逻辑值0或1上操作。逻辑操作的结构为0或1。例如, 假定:

C r d = 'b0; //0 为假

Dgs = 'b1; //1 为真

那么:

C r d && D g s 结果为0 (假)

C r d || D g s 结果为1 (真)

！D g s 结果为0 (假)

对于向量操作, 非0向量作为1处理。例如，假定:

A _ B u s = 'b0110;

B _ B u s = 'b0100;

那么:

A _ B u s || B _ B u s 结果为1

A _ B u s && B _ B u s 结果为 1

并且:

! A _ B u s 与! B _ B u s的结果相同。

结果为0。

如果任意一个操作数包含x，结果也为x。

34 Verilog HDL 硬件描述语言

下载

!x 结果为x

4.2.5 按位操作符

按位操作符有:

• ~（一元非）

• &（二元与）

• |（二元或）

• ^（二元异或）

• ~^, ^~（二元异或非）

这些操作符在输入操作数的对应位上按位操作，并产生向量结果。下表显示对于不同操作符按步操作的结果。

例如，假定,

A = 'b0110;

B = 'b0100;

那么:

A | B 结果为0 1 1 0

A & B 结果为0 1 0 0

如果操作数长度不相等, 长度较小的操作数在最左侧添0补位。例如,

'b0110 ^ 'b10000

与如下式的操作相同:

'b00110 ^ 'b10000

结果为' b 1 0 11 0。

第4章 表 达 式 35

下载

与

或

异或 异或非

非

4.2.6 归约操作符

归约操作符在单一操作数的所有位上操作，并产生 1位结果。归约操作符有:

• & (归约与)

如果存在位值为0, 那么结果为0；若如果存在位值为 x或z，结果为x；否则结果为1。

• ~& (归约与非)

与归约操作符&相反。

• | (归约或)

如果存在位值为1，那么结果为1；如果存在位 x或z，结果为x；否则结果为0。

• ~| (归约或非)

与归约操作符|相反。

• ^ (归约异或)

如果存在位值为x或z，那么结果为x；否则如果操作数中有偶数个 1, 结果为0；否则结果

为1。

• ~^ (归约异或非)

与归约操作符^正好相反。

如下所示。假定,

A = 'b0110;

B = 'b0100;

那么:

|B 结果为1

& B 结果为0

~ A 结果为1

归约异或操作符用于决定向量中是否有位为 x。假定,

M y R e g = 4'b01x0 ；

那么:

^M y R e g 结果为x

上述功能使用如下的i f语句检测:

i f ( ^M y R e g = = = 1'bx)

$ d i s p l a y ("There is an unknown in the vector MyReg !")

注意逻辑相等( = = )操作符不能用于比较；逻辑相等操作符比较将只会产生结果 x。全等操作符期望的结果为值1。

4.2.7 移位操作符

移位操作符有:

• << (左移)

• >> (右移)

移位操作符左侧操作数移动右侧操作数表示的次数，它是一个逻辑移位。空闲位添 0补位。如果右侧操作数的值为x或z, 移位操作的结果为x。假定:

r e g [ 0：7] Q r e g；

. . .

Q r e g = 4'b0111;

那么:

Q r e g >> 2 是 8 ' b 0 0 0 0 _ 0 0 0 1

V erilog H D L中没有指数操作符。但是，移位操作符可用于支持部分指数操作。例如，如果要计算Z

N u m B i t s 的值，可以使用移位操作实现，例如:

32'b1 << N u m B i t s / /N u m B i t s必须小于3 2。

同理，可使用移位操作为2 - 4解码器建模，如

w i r e [0:3] D e c o d e O u t = 4'b1 << A d d r e s s [ 0 : 1 ] ;

A d d re s s[0:1] 可取值0 , 1 , 2和3。与之相应，D e c o d e O u t可以取值4 ' b 0 0 0 1、4 ' b 0 0 1 0、4 ' b 0 1 0 0

和4 ' b 1 0 0 0，从而为解码器建模。

4.2.8 条件操作符

条件操作符根据条件表达式的值选择表达式，形式如下 :

c o n d_e x p r ? e x p r 1 : e x p r 2

如果c o n d _ e x p r 为真(即值为1 )，选择e x p r 1；如果c o n d _ e x p r为假(值为0 )，选择e x p r 2。如果c o n d _ e x p r 为x或z，结果将是按以下逻辑 e x p r 1和e x p r 2按位操作的值: 0与0得0，1与1得1，其余情况为x。

如下所示:

w i r e [0:2] S t u d e n t = M a r k s > 18 ? G r a d e _ A : G r a d e _ C;

计算表达式M a r k s > 18; 如果真, G r a d e _ A 赋值为S t u d e n t; 如果M a r k s < =18, G r a d e _ C 赋值为S t u d e n t。下面为另一实例：

a l w a y s

#5 C t r = (C t r != 25) ? (C t r + 1) : 5;

过程赋值中的表达式表明如果C t r不等于25, 则加1；否则如果C t r值为2 5时, 将C t r值重新置

为5。

4.2.9 连接和复制操作

连接操作是将小表达式合并形成大表达式的操作。形式如下 :

{e x p r 1, e x p r 2, . . .，e x p r N}

实例如下所示:

w i r e [7:0] D b u s;

w i r e [11:0] A b u s;

a s s i g n D b u s [7:4] = {D b u s [0], D b u s [1], D b u s[2], D b u s[ 3 ] } ;

/ /以反转的顺序将低端4位赋给高端4位。

a s s i g n D b u s = {Dbus [3:0], D b u s [ 7 : 4 ] } ;

/ /高4位与低4位交换。

由于非定长常数的长度未知, 不允许连接非定长常数。例如, 下列式子非法：

{D b u s,5} / /不允许连接操作非定长常数。

复制通过指定重复次数来执行操作。形式如下 :

{r e p e t i t i o n _ n u m b e r {expr1, expr2, ...,exprN } }

以下是一些实例：

A b u s = {3{4'b1011}}; // 位向量1 2 ' b 1 0 1 1 _ 1 0 1 1 _ 1 0 1 1）

A b u s = {{4{D b u s[7]}}, D b u s}; / * 符号扩展 * /

第4章 表 达 式 37

下载

{3{1'b1}} 结果为1 1 1

{3{Ack}} 结果与{A c k, A c k, A c k}相同。

4.3 表达式种类

常量表达式是在编译时就计算出常数值的表达式。通常，常量表达式可由下列要素构成 :

1) 表示常量文字, 如' b 1 0和3 2 6。

2) 参数名，如R E D的参数表明:

p a r a m e t e r R E D = 4'b1110；

标量表达式是计算结果为 1位的表达式。如果希望产生标量结果 , 但是表达式产生的结果

为向量, 则最终结果为向量最右侧的位值。

习题

1. 说明参数G AT E _ D E L AY, 参数值为5。

2. 假定长度为6 4个字的存储器, 每个字8位，编写Verilog 代码，按逆序交换存储器的内容。即

将第0个字与第6 3个字交换，第1个字与第6 2个字交换，依此类推。

3. 假定3 2位总线A d d re s s _ B u s, 编写一个表达式，计算从第11位到第2 0位的归约与非。

4. 假定一条总线C o n t ro l _ B u s [ 1 5 : 0 ]，编写赋值语句将总线分为两条总线：A b u s [ 0 : 9 ]和B b u s

[ 6 : 1 ]。

5. 编写一个表达式，执行算术移位，将 Qparity 中包含的8位有符号数算术移位。

6. 使用条件操作符 , 编写赋值语句选择 N e x t S t a t e的值。如果C u rre n t S t a t e的值为R E S E T, 那么N e x t S t a t e的值为 G O；如果 C u rre n t S t a t e的值为 G O，则 N e x t S t a t e 的值为 B U S Y；如果C u rre n t S t a t e的值为B U S Y；则N e x t S t a t e的值为R E S E T。

7. 使用单一连续赋值语句为图2 - 2所示的2 - 4解码器电路的行为建模。[提示：使用移位操作符、条件操作符和连接操作符。]

8. 如何从标量变量 A，B，C和D中产生总线 B u s Q[0:3]? 如何从两条总线 B u s A [ 0 : 3 ]和B u s Y

[ 2 0 : 1 5 ]形成新的总线B u s R [ 1 0 : 1 ] ?

原文标题：Verilog入门4-Verilog表达式

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责任编辑：haq