表达式

表达式是由操作符和操作数构成,其目的是根据操作符的意义得到一个计算结果。表达式可以在出现数值的任何地方使用。例如:

实例

a^b ;          //a与b进行异或操作
address[9:0] + 10'b1 ;  //地址累加
flag1 && flag2 ;  //逻辑与操作

操作数

操作数可以是任意的数据类型,只是某些特定的语法结构要求使用特定类型的操作数。操作数可以为常数,整数,实数,线网,寄存器,时间,位选,域选,存储器及函数调用。例如:

实例

module test;
//实数
real a, b, c;
c = a + b ;
//寄存器
reg  [3:0]       cprmu_1, cprmu_2 ;
always @(posedge clk) begin
  cprmu_2 = cprmu_1 ^ cprmu_2 ;
end
   
//函数
reg  flag1 ;
flag = calculate_result(A, B);
 
//非法操作数
reg [3:0]         res;
wire [3:0]        temp;
always@*begin
    res    = cprmu_2 – cprmu_1 ;
    //temp = cprmu_2 – cprmu_1 ; //不合法,always块里赋值对象不能是wire型
  end
endmodule

操作符

Verilog 中提供了大约 9 种操作符,分别是算术、关系、等价、逻辑、按位、归约、移位、拼接、条件操作符。

大部分操作符与 C 语言中的操作符类似。同类型操作符之间,除条件操作符从右往左关联,其余操作符都是自左向右关联,圆括号内表达式优先执行。例如:

//下面每组的 2 种写法都是等价的
A+B-C ;
(A+B)-C ;
A ? B : C ? D : F ;
A ? B : (C ? D : F) ;
(A ? B : C) ? D : F ;
A ? B : C ? D : F ;

不同操作符之间,优先级是不同的。下表列出了操作符优先级从高至低的排列顺序。当没有圆括号是,Verilog 会根据操作符优先级对表达式进行计算。为了避免由操作符优先级导致的计算混乱,在不确定优先级时,建议用圆括号将表达式区分开来。

操作符 操作符号 优先级
单目运算 + - ! ~ 最高
乘、除、取模 * / %  
加减 + -  
移位 <<  >>  
关系 <  <=  >  >=  
等价 ==  !=  ===  !===  
约归 & ~&  
  ^ ^~  
  |~|  
逻辑 &&  
  ||  
条件 ?: 最低

算术操作符

算术操作符包括单目操作符和双目操作符。

双目操作符对 2 个操作数进行算术运算,包括乘(*)、除(/)、加()、减(-)、求幂(**)、取模(%)。

实例

reg [3:0]         a, b;
reg [4:0]         c ;
a = 4'b0010 ;
b = 4'b1001 ;
c = a+b;        //结果为c=b'b1011
c = a/b;          //结果为c=4,取整

如果操作数某一位为 X,则计算结果也会全部出现 X。例如:

实例

b = 4'b100x ;
c = a+b ;       //结果为c=4'bxxxx

对变量进行声明时,要根据变量的操作符对变量的位宽进行合理声明,不要让结果产生溢出。例如上述例子中,相加的 2 个变量位宽为 4bit,那么结果寄存器变量位宽最少为 5bit。否则,高位将被截断,导致结果数据丢失。无符号数乘法时,则结果变量位宽应该为 2 个操作数位宽之和,例如:

实例

reg [3:0]        mula ;
reg [1:0]        mulb;
reg [5:0]        res ;
mula = 4'he   ;
mulb = 2'h3   ;
res  = mula * mulb ; //结果为res=6'h2a, 数据结果没有丢失位数

+ 和 - 也可以作为单目操作符来使用,表示操作数的正负性。此类操作符优先级最高。例如:

-4  //表示负4
+3  //表示正3

负数表示时,可以直接在 10 进制数字前面增加一个减号 -,也可以指定位宽。因为负数使用二进制补码来表示,不指定位宽来表示负数,编译器在转换时,会自动分配位宽,从而导致意想不到的结果。例如:

实例

mula = -4'd4 ;
mulb = 2 ;
res = mula * mulb ;      //计算结果为res=-6'd8, 即res=6'h38,正常
res = mula * (-'d4) ;    //(4的32次幂-4) * 2, 结果异常

关系操作符

关系操作符有大于(>),小于(<),大于等于(>=),小于等于(<=)。

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,则结果为 x。

实例

A = 4 ;
B = 3 ;
X = 3'b1xx ;
 
A > B     //为真
A <= B    //为假
A >= Z    //为X,不确定

等价操作符

等价操作符包括逻辑相等(==),逻辑不等(!==),全等(===),非全等(!==)。

等价操作符的结果为真(1)或假(0)。

逻辑操作符不能比较 x 或 z,当操作数包含一个 x 或 z,则结果为 x。

全等比较时,如果按位比较有相同的 x 或 z,返回结果也可以为 1。而且,全等比较的结果一定不包含 x。举例如下:

实例

A = 4 ;
B = 8'h04 ;
C = 4'bxxxx ;
D = 4'hx ;
A == B        //为真
A == (B + 1)  //为假
A == C        //为X,不确定
A === C       //为假,返回值为0
C === D       //为真,返回值为1

逻辑操作符

逻辑操作符主要有 3 个:&&(逻辑与), ||(逻辑或),!(逻辑非)。

逻辑操作符的计算结果是一个 1bit 的值,0 表示假,1 表示真,x 表示不确定。

如果一个操作数不为 0,它等价于逻辑 1,如果一个操作数等于 0,它等价于逻辑 0。如果它任意一位为 x 或 z,它等价于 x。

如果任意一个操作数包含 x,逻辑操作符运算结果不一定为 x。

逻辑操作符的操作数可以为变量,也可以为表达式。例如:

实例

A = 3;
B = 0;
C = 2'b1x ;
 
A && B    //     为假
A || B    //     为真
! A       //     为假
! B       //     为真
A && C    //     为X,不确定
A || C    //     为真,因为A为真
(A==2) && (! B)   //为真,此时第一个操作数为表达式

按位操作符

按位操作符包括取反(~),与(&),或(|),异或(^),同或(~^)。

按位操作符对 2 个操作数的每 1bit 进行按位操作。

如果 2 个操作数位宽不相等,则用 0 向左扩展补充较短的操作数。

取反操作符只有一个操作数,它对操作数的每 1bit 进行取反操作。

下图给出了按位操作符的逻辑规则。

&(与) 0 1 x   |(或) 0 1 x
0 0 0 0   0 0 1 X
1 0 1 x   1 1 1 1
x 0 x x   x x 1 x
^(异或) 0 1 x   ~^(同或) 0 1 x
0 0 1 x   0 1 0 x
1 1 0 x   1 0 1 x
x x x x   x x x x

实例

A = 4'b0101 ;
B = 4'b1001 ;
C = 4'bx010 ;
 
~A ;      //4'b1010
A & B     //4'b0001
A | B     //4'b1101
A^B       //4'b1100
A ~^ B    //4'b0011
B | C     //4'b1011
B&C       //4'bx000

约归操作符

约归操作符包括约归与(&),约归与非(~&),约归或(|),约归或非(~|),约归异或(~^),约归同或(~^)。

约归操作符只有一个操作数,它对这个向量操作数逐位进行操作,最终产生一个 1bit 结果。

逻辑操作符、按位操作符和约归操作符都使用相同的符号表示,因此有时候容易混淆。区分这些操作符的关键是分清操作数的数目,和计算结果的规则。

A = 4’b1010 ;
&A ;      //结果为 1 & 0 & 1 & 0 = 1’b0,可用来判断变量A是否全1
~|A ;     //结果为 1 | 0 | 1 | 0 = 1’b1, 可用来判断变量A是否为全0
^A ;      //结果为 1 ^ 0 ^ 1 ^ 0 = 1’b0

移位操作符

移位操作符包括左移(<<),右移(>>),算术左移(<<<),算术右移(>>>)。

移位操作符是双目操作符,两个操作数分别表示要进行移位的向量(操作符左侧)与移动的位数(操作符右侧)。

算术左移和逻辑左移时,右边低位会补 0。

算术右移时,左边高位会补 0,而逻辑右移时,左边高位会补符号位,以保证数据大小缩小后的正确性。

实例

A = 4'b1100 ;
B = 4'b0010 ;
A = A >> 2 ;        //结果为 4'b0011
A = A << 1;         //结果为 4'b1000
A = A <<< 1 ;       //结果为 4'b1000
C = B + (A>>>2);    //结果为 2 + (-4/4) = 1, 4'b0001

拼接操作符

拼接操作符用大括号 { } 来表示,用于将多个操作数(向量)拼接成新的操作数(向量), 中间用逗号隔开。

拼接符操作数必须制定位宽,常数的话也需要指定位宽。例如:

实例

A = 4'b1010 ;
B = 1'b1 ;
Y1 = {B, A[3:2], A[0], 4'h3 };  //结果为Y1='b1100_0011
Y2 = {4{B}, 3'd4};  //结果为 Y2=7'b111_1100
Y3 = {32'{1'b0}};  //结果为 Y3=32h0,常用作寄存器初始化时匹配位宽的赋初值

条件操作符

条件表达式有 3 个操作符,结构描述如下:

condition_expression ? true_expression : false_expression

计算时,如果 condition_expression 为真(逻辑值为 1),则结算结果为 true_expression,如果 condition_expression 为假(逻辑值为 0 ),则计算结果为 false_expression。

assign hsel = (addr[9:8] = 2’b0) ? hsel_p1 : hsel_p2 ;
//当信号 addr 高 2bit 为 0 时,hsel 赋值为 hsel_p1; 否则,将 hsel_p2 赋值给 hsel

其实,条件表达式就类似于 2 路(或多路)选择器,如下图所示。其描述方式完全可以用 if-else 语句代替。

当然条件操作符也能进行嵌套,完成一个多次选择的逻辑。例如:

实例

assign hsel = (addr[9:8] = 2'b00) ? hsel_p1 :
              (addr[9:8] = 2'b01) ? hsel_p2 :
              (addr[9:8] = 2'b10) ? hsel_p3 :
              (addr[9:8] = 2'b11) ? hsel_p4 ;