本章講述在Verilog HDL中編寫表達式的基礎。

表達式由操作數和操作符組成。表達式可以在出現數值的任何地方使用。

4.1 操作數

操作數可以是以下類型中的一種：

1) 常數

2) 參數

3) 線網

4) 寄存器

5) 位選擇

6) 部分選擇

7) 存儲器單元

8) 函數調用

4.1.1 常數

前面的章節已講述了如何書寫常量。下面是一些實例。

256,7 // 非定長的十進制數。

4'b10_11, 8'h0A // 定長的整型常量。

'b1, 'hFBA // 非定長的整數常量。

90.00006 // 實數型常量。

"BOND" // 串常量；每個字符作為8位A S C I I值存儲。

表達式中的整數值可被解釋為有符號數或無符號數。如果表達式中是十進制整數，例如，12被解釋為有符號數。如果整數是基數型整數（定長或非定長），那么該整數作為無符號數對

待。下面舉例說明。

12是01100的5位向量形式（有符號）

- 12是10100的5位向量形式（有符號）

5 ' b 01100是十進制數1 2（無符號）

5 ' b 10100是十進制數2 0（無符號）

4 ' d12是十進制數1 2（無符號）

更為重要的是對基數表示或非基數表示的負整數處理方式不同。非基數表示形式的負整數作為有符號數處理，而基數表示形式的負整數值作為無符號數。因此-4 4和-6'o54 （十進制的4 4等于八進制的5 4）在下例中處理不同。

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作為有符號數處理，而－6 'o54作為無符號數處理。因此第一個字符中Cone的值－11，而在第二個賦值中Coe的值為1073741813

4.1.2 參數

前一章中已對參數作了介紹。參數類似于常量，并且使用參數聲明進行說明。下面是參數說明實例。

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為參數的例子，值分別被聲明為1 2和1 0。

4.1.3 線網

可在表達式中使用標量線網（1位）和向量線網（多位）。下面是線網說明實例。

w i r e [0:3] P r t; //P r t 為4位向量線網。

w i r e B d q; //B b q 是標量線網。

線網中的值被解釋為無符號數。在連續賦值語句中，

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

P rt被賦于位向量11 0 1，實際上為十進制的1 3。在下面的連續賦值中，

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

P rt被賦于位向量1 0 1 0，即為十進制的1 0。

4.1.4 寄存器

標量和向量寄存器可在表達式中使用。寄存器變量使用寄存器聲明進行說明。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釋為有符號的二進制補碼數，而 r e g寄存器或時間寄存器中的值被解釋為無符號數。實數和實數時間類型寄存器中的值被解釋為有符號浮點數。

TemA = -10; // T e m A值為位向量1 0 1 1 0，是1 0的二進制補碼。

TemA = 'b1011; // T e m A值為十進制數1 1。

State = -10; // S t a t e值為位向量1 0 1 1 0，即十進制數2 2。

State = 'b1011; // S t a t e值為位向量0 1 0 1 1，是十進制值1 1。

4.1.5 位選擇

位選擇從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]

下面是表達式中應用位選擇的例子。

S t a t e [1] && S t a t e [4] //寄存器位選擇。

P r t [0] | Bbq // 線網位選擇。

如果選擇表達式的值為x、z，或越界，則位選擇的值為x。例如S t a t e [x]值為x。

4.1.6 部分選擇

在部分選擇中，向量的連續序列被選擇。形式如下：

因為C o n e 為非定長整型變量，基數表示形式的負數在機內以補碼形式出現。— 譯者注

net_ or_ reg_ vector[msb _ const _ expr:1sb _ const _expr]

其中范圍表達式必須為常數表達式。例如。

state[1:4] // 寄存器部分選擇。

P r t [1:3] // 線網部分選擇。

選擇范圍越界或為x,z時，部分選擇的值為x。

4.1.7 存儲器單元

存儲器單元從存儲器中選擇一個字。形式如下：

memory [word _ address]

例如：

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

. . .

Ack =Dram [60]; //存儲器的第6 0個單元。

不允許對存儲器變量值部分選擇或位選擇。例如，

Dram[60] [2] 不允許。

Dram[60] [2:4] 也不允許。

在存儲器中讀取一個位或部分選擇一個字的方法如下：將存儲器單元賦值給寄存器變量，然后對該寄存器變量采用部分選擇或位選擇操作。例如， A c k [2] 和Ack [ 2 : 4 ]是合法的表達式。

4.1.8 函數調用

表達式中可使用函數調用。函數調用可以是系統函數調用（以 $字符開始）或用戶定義的函數調用。例如：

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

/ * $t i m e是系統函數，并且S u m O f E v e n t s是在別處定義的用戶自定義函數。* /

4.2 操作符

Verilog HDL中的操作符可以分為下述類型：

1) 算術操作符

2) 關系操作符

3) 相等操作符

4) 邏輯操作符

5) 按位操作符

6) 歸約操作符

7) 移位操作符

8) 條件操作符

9) 連接和復制操作符

下表顯示了所有操作符的優先級和名稱。操作符從最高優先級（頂行）到最低優先級（底行）排列。同一行中的操作符優先級相同。

歸約操作符為一元操作符，對操作數的各位進行邏輯操作，結果為二進制數。

除條件操作符從右向左關聯外，其余所有

操作符自左向右關聯。下面的表達式：

A + B - C

等價于：

(A + B ) - C / /自左向右

而表達式：

A ? B : C ? D : F

等價于：

A ? B : (C ? D : F) //從右向左

圓擴號能夠用于改變優先級的順序，如以下表達式：

(A ? B : C) ? D : F

4.2.1 算術操作符

算術操作符有：

? +（一元加和二元加）

? －（一元減和二元減）

? *（乘）

? /（除）

? %（取模）

整數除法截斷任何小數部分。例如：

7/4 結果為 1

取模操作符求出與第一個操作符符號相同的余數。

7%4 結果為 3

而:

- 7%4 結果為 - 3

如果算術操作符中的任意操作數是 X或Z，那么整個結果為X。例如：

'b10x1 + 'b01111 結果為不確定數' bx x x x x

1. 算術操作結果的長度

算術表達式結果的長度由最長的操作數決定。在賦值語句下，算術操作結果的長度由操

作符左端目標長度決定。考慮如下實例：

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;

第一個加的結果長度由 B a r，C rt和A rc長度決定，長度為 4位。第二個加法操作的長度同樣由F rx的長度決定（F rx、B a t和C rt中的最長長度），長度為6位。在第一個賦值中，加法操

作的溢出部分被丟棄；而在第二個賦值中，任何溢出的位存儲在結果位 F r x [ 1 ]中。在較大的表達式中，中間結果的長度如何確定？在 Verilog HDL中定義了如下規則：表達式中的所有中間結果應取最大操作數的長度（賦值時，此規則也包括左端目標）。考慮另一個

實例：

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) ;

表達式左端的操作數最長為 6，但是將左端包含在內時，最大長度為 8。所以所有的加操作使用8位進行。例如：B o x和C f g相加的結果長度為8位。

2. 無符號數和有符號數

執行算術操作和賦值時，注意哪些操作數為無符號數、哪些操作數為有符號數非常重要。

無符號數存儲在：

? 線網

? 一般寄存器

? 基數格式表示形式的整數

有符號數存儲在：

? 整數寄存器

? 十進制形式的整數

下面是一些賦值語句的實例：

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

i n t e g e r T a b;

. . .

B a r = -4'd12; //寄存器變量B a r的十進制數為5 2，向量值為1 1 0 1 0 0。

T a b = -4'd12; // 整數T a b的十進制數為- 1 2，位形式為1 1 0 1 0 0。

-4'd12 / 4 // 結果是1 0 7 3 7 4 1 8 2 1。

-12 / 4 // 結果是- 3

因為B a r是普通寄存器類型變量，只存儲無符號數。右端表達式的值為 ' b 11 0 1 0 0（1 2的二進制補碼）。因此在賦值后， B a r存儲十進制值5 2。在第二個賦值中，右端表達式相同，值為' b 11 0 1 0 0，但此時被賦值為存儲有符號數的整數寄存器。Ta b存儲十進制值－ 1 2（位向量為11 0 1 0 0）。注意在兩種情況下，位向量存儲內容都相同；但是在第一種情況下，向量被解釋為無符號數，而在第二種情況下，向量被解釋為有符號數。

下面為具體實例：

B a r = - 4'd12/4;

T a b = - 4'd12 /4;

B a r = - 12/4

T a b = - 12/4

在第一次賦值中，B a r被賦于十進制值6 1（位向量為1111 0 1）。而在第二個賦值中，Ta b被賦于與十進制1 0 7 3 7 4 1 8 2 1（位值為0 0 11 . . . 111 0 1）。B a r在第三個賦值中賦于與第一個賦值相同的值。這是因為B a r只存儲無符號數。在第四個賦值中， B a r被賦于十進制值－3。

下面是另一些例子：

B a r = 4 - 6;

T a b = 4 - 6;

B a r被賦于十進制值6 2（－2的二進制補碼），而Ta b被賦于十進制值－2（位向量為11111 0）。

下面為另一個實例：

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

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

B a r被賦于十進制值5 8（位向量為111 0 1 0），而Ta b被賦于十進制值－6（位向量為111 0 1 0）。

4.2.2 關系操作符

關系操作符有：

? >（大于）

? <（小于）

? >=（不小于）

? <=（不大于）

關系操作符的結果為真（ 1）或假（0）。如果操作數中有一位為 X或Z，那么結果為X。例

如：

23 > 45

結果為假（0），而：

52< 8'hxFF

結果為x。如果操作數長度不同，長度較短的操作數在最重要的位方向（左方）添 0補齊。例

如：

'b1000 > = 'b01110

等價于：

'b01000 > = 'b01110

結果為假（0）。

4.2.3 相等關系操作符

相等關系操作符有:

? = =（邏輯相等）

? !=（邏輯不等）

第4章 表 達 式 33

下載

? = = =（全等）

? != =（非全等）

如果比較結果為假，則結果為 0；否則結果為 1。在全等比較中，值 x和z嚴格按位比較。也就是說，不進行解釋，并且結果一定可知。而在邏輯比較中，值 x和z具有通常的意義，且結果可以不為x。也就是說，在邏輯比較中，如果兩個操作數之一包含 x或z，結果為未知的值（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，也就是說值為x，但：

D a t a = = = A d d r

為真，也就是說值為1。

如果操作數的長度不相等，長度較小的操作數在左側添 0補位，例如：

2'b10 = = 4'b0010

與下面的表達式相同：

4'b0010 = = 4'b0010

結果為真（1）。

4.2.4 邏輯操作符

邏輯操作符有:

? && (邏輯與)

? || (邏輯或)

? ！(邏輯非)

這些操作符在邏輯值0或1上操作。邏輯操作的結構為0或1。例如, 假定:

C r d = 'b0; //0 為假

Dgs = 'b1; //1 為真

那么:

C r d && D g s 結果為0 (假)

C r d || D g s 結果為1 (真)

！D g s 結果為0 (假)

對于向量操作, 非0向量作為1處理。例如，假定:

A _ B u s = 'b0110;

B _ B u s = 'b0100;

那么:

A _ B u s || B _ B u s 結果為1

A _ B u s && B _ B u s 結果為 1

并且:

! A _ B u s 與! B _ B u s的結果相同。

結果為0。

如果任意一個操作數包含x，結果也為x。

34 Verilog HDL 硬件描述語言

下載

!x 結果為x

4.2.5 按位操作符

按位操作符有:

? ~（一元非）

? &（二元與）

? |（二元或）

? ^（二元異或）

? ~^, ^~（二元異或非）

這些操作符在輸入操作數的對應位上按位操作，并產生向量結果。下表顯示對于不同操作符按步操作的結果。

例如，假定,

A = 'b0110;

B = 'b0100;

那么:

A | B 結果為0 1 1 0

A & B 結果為0 1 0 0

如果操作數長度不相等, 長度較小的操作數在最左側添0補位。例如,

'b0110 ^ 'b10000

與如下式的操作相同:

'b00110 ^ 'b10000

結果為' b 1 0 11 0。

第4章 表 達 式 35

下載

與

或

異或 異或非

非

4.2.6 歸約操作符

歸約操作符在單一操作數的所有位上操作，并產生 1位結果。歸約操作符有:

? & (歸約與)

如果存在位值為0, 那么結果為0；若如果存在位值為 x或z，結果為x；否則結果為1。

? ~& (歸約與非)

與歸約操作符&相反。

? | (歸約或)

如果存在位值為1，那么結果為1；如果存在位 x或z，結果為x；否則結果為0。

? ~| (歸約或非)

與歸約操作符|相反。

? ^ (歸約異或)

如果存在位值為x或z，那么結果為x；否則如果操作數中有偶數個 1, 結果為0；否則結果

為1。

? ~^ (歸約異或非)

與歸約操作符^正好相反。

如下所示。假定,

A = 'b0110;

B = 'b0100;

那么:

|B 結果為1

& B 結果為0

~ A 結果為1

歸約異或操作符用于決定向量中是否有位為 x。假定,

M y R e g = 4'b01x0 ；

那么:

^M y R e g 結果為x

上述功能使用如下的i f語句檢測:

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

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

注意邏輯相等( = = )操作符不能用于比較；邏輯相等操作符比較將只會產生結果 x。全等操作符期望的結果為值1。

4.2.7 移位操作符

移位操作符有:

? << (左移)

? >> (右移)

移位操作符左側操作數移動右側操作數表示的次數，它是一個邏輯移位。空閑位添 0補位。如果右側操作數的值為x或z, 移位操作的結果為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中沒有指數操作符。但是，移位操作符可用于支持部分指數操作。例如，如果要計算Z

N u m B i t s 的值，可以使用移位操作實現，例如:

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

同理，可使用移位操作為2 - 4解碼器建模，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。與之相應，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，從而為解碼器建模。

4.2.8 條件操作符

條件操作符根據條件表達式的值選擇表達式，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 為真(即值為1 )，選擇e x p r 1；如果c o n d _ e x p r為假(值為0 )，選擇e x p r 2。如果c o n d _ e x p r 為x或z，結果將是按以下邏輯 e x p r 1和e x p r 2按位操作的值: 0與0得0，1與1得1，其余情況為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;

計算表達式M a r k s > 18; 如果真, G r a d e _ A 賦值為S t u d e n t; 如果M a r k s < =18, G r a d e _ C 賦值為S t u d e n t。下面為另一實例：

a l w a y s

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

過程賦值中的表達式表明如果C t r不等于25, 則加1；否則如果C t r值為2 5時, 將C t r值重新置

為5。

4.2.9 連接和復制操作

連接操作是將小表達式合并形成大表達式的操作。形式如下 :

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

實例如下所示:

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 ] } ;

/ /以反轉的順序將低端4位賦給高端4位。

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

/ /高4位與低4位交換。

由于非定長常數的長度未知, 不允許連接非定長常數。例如, 下列式子非法：

{D b u s,5} / /不允許連接操作非定長常數。

復制通過指定重復次數來執行操作。形式如下 :

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

以下是一些實例：

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}; / * 符號擴展 * /

第4章 表 達 式 37

下載

{3{1'b1}} 結果為1 1 1

{3{Ack}} 結果與{A c k, A c k, A c k}相同。

4.3 表達式種類

常量表達式是在編譯時就計算出常數值的表達式。通常，常量表達式可由下列要素構成 :

1) 表示常量文字, 如' b 1 0和3 2 6。

2) 參數名，如R E D的參數表明:

p a r a m e t e r R E D = 4'b1110；

標量表達式是計算結果為 1位的表達式。如果希望產生標量結果 , 但是表達式產生的結果

為向量, 則最終結果為向量最右側的位值。

習題

1. 說明參數G AT E _ D E L AY, 參數值為5。

2. 假定長度為6 4個字的存儲器, 每個字8位，編寫Verilog 代碼，按逆序交換存儲器的內容。即

將第0個字與第6 3個字交換，第1個字與第6 2個字交換，依此類推。

3. 假定3 2位總線A d d re s s _ B u s, 編寫一個表達式，計算從第11位到第2 0位的歸約與非。

4. 假定一條總線C o n t ro l _ B u s [ 1 5 : 0 ]，編寫賦值語句將總線分為兩條總線：A b u s [ 0 : 9 ]和B b u s

[ 6 : 1 ]。

5. 編寫一個表達式，執行算術移位，將 Qparity 中包含的8位有符號數算術移位。

6. 使用條件操作符 , 編寫賦值語句選擇 N e x t S t a t e的值。如果C u rre n t S t a t e的值為R E S E T, 那么N e x t S t a t e的值為 G O；如果 C u rre n t S t a t e的值為 G O，則 N e x t S t a t e 的值為 B U S Y；如果C u rre n t S t a t e的值為B U S Y；則N e x t S t a t e的值為R E S E T。

7. 使用單一連續賦值語句為圖2 - 2所示的2 - 4解碼器電路的行為建模。[提示：使用移位操作符、條件操作符和連接操作符。]

8. 如何從標量變量 A，B，C和D中產生總線 B u s Q[0:3]? 如何從兩條總線 B u s A [ 0 : 3 ]和B u s Y

[ 2 0 : 1 5 ]形成新的總線B u s R [ 1 0 : 1 ] ?

原文標題：Verilog入門4-Verilog表達式

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責任編輯：haq