Verilog 运算符简介

Posted 2023-03-08 孤独的单刀

这篇文章将讨论如何在 verilog 中使用不同的运算符，这些运算符提供了一种在 verilog 设计中处理数字数据的方法。这种处理方法非常简单----和简单的逻辑门一样，但是设计者可能还需要对数据执行复杂的逻辑或数学运算。

无论如何，verilog 提供了许多的运算符，使设计者能够对数据执行各种不同的计算或运算。

大多数情况下，设计者可以使用verilog的运算符来创建可以被综合的布尔表达式或逻辑电路，但是也有一些运算符写出的代码是无法被综合的。

所以接下来一起看看那些可以在 verilog 代码中使用的各类运算符吧。

1、Verilog 按位运算符（Bit Wise Operators）

按位运算符可以将多个1位输入组合成一个1位输出，verilog向量类型也使用按位运算符。最常用的方式是使用按位运算符在 verilog 中实现逻辑门。

以下是verilog 中使用的位运算符的完整列表。

运算符	描述
~	按位非 NOT
&	按位与 AND
~&	按位与非 NAND
|	按位或 OR
~|	按位或非 NOR
^	按位异或 XOR
~^	按位同或 XNOR

下面的 verilog 代码展示了如何使用这些运算符。

y = ~a;        
y = a & b;    
y = a | b;    
y = a ~| b;    
y = a ~& b;    
y = a ^ b;    
y = a ~| b;

2、Verilog 算术运算符（Arithmetic Operators）

算术运算符可以用来实现基本的算术运算。这些运算符很眼熟，因为它们大多都是日常生活中常见的数学符号。

虽然大多数综合工具都可以综合加法（+）、减法（-）和乘法（*）运算符，但这通常会导致设计的逻辑性能欠佳。因此，必要时需要设计专门实现这些功能的逻辑电路，或者直接在 FPGA 中使用DSP模块来更有效地实现这些操作。

设计者应该尽量避免在代码中使用取模（%）、指数（**）或除法（/）运算符，因为大多数综合工具都无法直接将其综合成实际电路。

以下是verilog 中使用的算术运算符的完整列表。

运算符	描述
+	加法
-	减法
*	乘法
/	除法
%	取模
**	指数

下面的代码片段展示了如何使用这些运算符。

y = a + b;
y = a - b;
y = a * b;
y = a / b;
y = a % b;
y = a ** b;

3、Verilog 关系运算符（Relational Operators）

关系运算符可以用来比较两个不同变量的值，比较的结果将返回逻辑值1或逻辑值0----分别代表 真（true） 和假（false） 。

这些运算符和其他编程语言（如C、Java）中的运算符很相似，其中的大部分在基础的数学表达式中也很常见。

以下是verilog 中使用的关系运算符的完整列表。

运算符	描述
>	大于
>=	大于或等于
<	小于
<=	小于或等于
==	等于
!=	不等于

下面的代码片段展示了如何使用这些运算符。

y = a > b;      //如果a大于b则y值为1，否则y值为0
y = a >= b;     //如果a大于或等于b则y值为1，否则y值为0
y = a < b;      //如果a小于b则y值为1，否则y值为0
y = a <= b;     //如果a小于或等于b则y值为1，否则y值为0
y = a == b;     //如果a等于b则y值为1，否则y值为0
y = a != b;     //如果a不等于b则y值为1，否则y值为0

4、Verilog 逻辑运算符（Logical Operators）

逻辑运算符和按位运算符类似。与关系运算符一样，这些表达式的结果是返回 1（真）或 0（假）。

同样，这些运算符类似于 C 或 Java 等语言中使用的运算符。在 verilog 中使用的逻辑运算符只有3个。

以下是verilog 中使用的逻辑运算符的完整列表。

运算符	描述
&&	逻辑与
||	逻辑或
！	逻辑非

下面的代码片段展示了如何使用这些运算符。注意在使用这些运算符时要使用括号来分隔表达式中的不同元素。

y = (a == b) && (c == d);    //如果a等于b且c等于d，则y值为1；否则y值为0
y = (a == b) || (a == c);    //如果a等于b且a等于c，则y值为1；否则y值为0
y = !(a == b);               //如果a等于b则y值为0；否则y值为1

5、Verilog 移位运算符（Shift Operators）

除了已经看到的运算符之外，还有一些额外的运算符可以用于特定的逻辑函数。

其中最有用和最常用的一种是移位运算符，如下表所示。

运算符	描述
<<	逻辑左移
>>	逻辑右移
<<<	算术左移
>>>	算术右移

在设计数字电路时，经常会用到移位操作。因此，verilog 提供了一种简单技术来实现这些功能----移位运算符。

移位运算符需要两个参数。第一个参数是要移动的信号，第二个参数是要移动的位数。

使用逻辑移位运算符时，在将信号移位所需位数后，所有的空白位置都用 0 填充。相反，算术移位运算符则保留移位信号的符号位。因此，它们只能与有符号（signed）类型一起使用。

算术左移和逻辑左移时，右边低位都会补 0。逻辑右移时，左边高位会补 0；而算术右移时，左边高位则会补充符号位，以保证数据缩小后值的正确性。

下面的代码片段展示了如何使用移位运算符。

a = a << 3;
b = b >> 8;
c = $signed(c) <<< 3;
d = d >>> 5;

6、Verilog 条件运算符（Conditional Operators）

在Verilog中，条件运算符可以用来来根据条件语句将数据分配给不同的信号。

要使用条件运算符，需要在 ? 运算符之前写一个逻辑表达式，然后判断它是真还是假。根据表达式的真假将两个值中的某一个赋值给输出。

这个运算符可能很熟悉，因为它也用于其他编程语言，例如C和Java。

下面的代码片段展示了条件运算符的一般语法。

output = <condition> ? <true> : <false>

当 <condition> 中给出的表达式计算结果为真时，输出将是 <true> 中给出的值；如果条件表达式的计算结果为假，输出则是 <false> 中给出的值。

下面的代码片段展示了条件运算符的用法。

a = c > b ? c : b;    //如果c大于b，则a等于c;否则a等于b

7、Verilog 拼接运算符（Concatenation Operators）和复制运算符（Replication Operators）运算符

这些运算符的输出都是向量，但这两个运算符的输入可以是单个位或向量。

这两个 verilog 运算符如下表所示。

运算符	描述
	拼接运算符
	复制运算符

使用 verilog 拼接运算符可以将两个或多个信号组合成一个向量。例如，有 2 个1bit的信号，设计者希望将它们组合起来用作多路选择器的地址。例如，下面的代码片段将产生一个值为 0011 的输出向量c。

c = 2'b00, 2'11;

复制运算符可以将相同的值赋值给向量中的多个位。使用复制运算符时，必须指定想要复制的信号或值，以及想要复制它的次数。例如，下面的代码片段将产生一个值为 1111_1111 的输出向量c（1'b1被复制了8次）。

c = 81'b1;

下面的 verilog 代码展示了如何共同使用拼接运算符和复制运算符。

c = a, 3a,b;    //c = a_ab_ab_ab;

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