HDLBits: 在線學(xué)習(xí) SystemVerilog（三）-Problem 10-14

HDLBits 是一組小型電路設(shè)計(jì)習(xí)題集，使用 Verilog/SystemVerilog 硬件描述語(yǔ)言 (HDL) 練習(xí)數(shù)字硬件設(shè)計(jì)~

網(wǎng)址如下：

https://hdlbits.01xz.net/

關(guān)于HDLBits的Verilog實(shí)現(xiàn)可以查看下面專(zhuān)欄：

https://www.zhihu.com/column/c_1131528588117385216

縮略詞索引：

• SV:SystemVerilog

向量

從這個(gè)題目到后面八道題目左右是關(guān)于向量的，所以我們先回顧一下向量。

SystemVerilog有兩種類(lèi)型的數(shù)組：壓縮數(shù)組和非壓縮數(shù)組。壓縮數(shù)組是連續(xù)存儲(chǔ)的位的集合，通常稱(chēng)為向量。非壓縮數(shù)組是網(wǎng)絡(luò)或變量的集合。

集合中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)或變量稱(chēng)為數(shù)組元素。未壓縮數(shù)組的每個(gè)元素的類(lèi)型、數(shù)據(jù)類(lèi)型和向量大小都完全相同。每個(gè)未壓縮的數(shù)組元素可以獨(dú)立于其他元素存儲(chǔ)；這些元素不需要連續(xù)存儲(chǔ)。軟件工具，如仿真器和綜合編譯器，可以以工具認(rèn)為最佳的任何形式組織未壓縮數(shù)組的存儲(chǔ)。

未壓縮數(shù)組的基本聲明語(yǔ)法為：

數(shù)組的維度定義了數(shù)組可以存儲(chǔ)的元素總數(shù)。未壓縮的數(shù)組可以用任意數(shù)量的維度聲明，每個(gè)維度存儲(chǔ)指定數(shù)量的元素。聲明數(shù)組維度有兩種編碼樣式：顯式地址和數(shù)組大小。

顯式地址樣式指定方括號(hào)之間數(shù)組維度的起始地址和結(jié)束地址，格式為：

Start_address 和 end_address可以是任何整數(shù)值，數(shù)組可以以地址0、地址512或被建模硬件所需的任何地址開(kāi)始。起始地址和結(jié)束地址之間的范圍表示數(shù)組維度的大小（元素?cái)?shù)）。

數(shù)組大小樣式定義要存儲(chǔ)在方括號(hào)中的元素?cái)?shù)（類(lèi)似于C語(yǔ)言數(shù)組聲明樣式）。

[size]

使用array_size樣式，起始地址始終為0，結(jié)束地址始終為size-1

以下是一些未壓縮的數(shù)組聲明示例：

前面的mem聲明是16位logic變量的一維數(shù)組。一維陣列有時(shí)被稱(chēng)為內(nèi)存陣列，因?yàn)樗ǔＳ糜?a target="_blank">仿真硬件內(nèi)存設(shè)備（如RAM和ROM）的存儲(chǔ)。

訪問(wèn)數(shù)組元素

可以使用數(shù)組索引引用未壓縮數(shù)組的每個(gè)元素，索引緊跟在數(shù)組名稱(chēng)之后，并且位于方括號(hào)中，多維數(shù)組需要多組方括號(hào)才能從數(shù)組中選擇單個(gè)元素：

數(shù)組索引也可以是網(wǎng)絡(luò)或變量的值，如下一個(gè)示例所示：

復(fù)制數(shù)組（陣列）

如果兩個(gè)數(shù)組（陣列）具有相同的布局，則可以使用賦值語(yǔ)句將一個(gè)未壓縮的數(shù)組（陣列）復(fù)制到另一個(gè)未壓縮的數(shù)組（陣列）。也就是說(shuō)，這兩個(gè)數(shù)組（陣列）必須存儲(chǔ)相同向量大小的相同數(shù)據(jù)類(lèi)型，必須具有相同的維度數(shù)，并且每個(gè)維度的大小都相同-

數(shù)組（陣列）復(fù)制會(huì)將源數(shù)組（賦值的右側(cè)）的每個(gè)元素復(fù)制到目標(biāo)數(shù)組（陣列）（賦值的左側(cè)）中相應(yīng)的元素。兩個(gè)數(shù)組（陣列）的索引編號(hào)不需要相同。數(shù)組（陣列）的布局和類(lèi)型必須完全匹配。

與復(fù)制數(shù)組（陣列）的方式類(lèi)似，如果兩個(gè)切片的布局相同，則可以將數(shù)組（陣列）的一部分（稱(chēng)為數(shù)組（陣列）切片）復(fù)制到另一個(gè)數(shù)組（陣列）的切片。切片是數(shù)組（陣列）一維內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)編號(hào)的元素。

在成為SystemVerilog之前，最初的Verilog語(yǔ)言將對(duì)數(shù)組（陣列）的訪問(wèn)限制為一次只能訪問(wèn)數(shù)組中的一個(gè)元素。不允許對(duì)數(shù)組（陣列）的多個(gè)元素進(jìn)行數(shù)組（陣列）復(fù)制和讀/寫(xiě)操作。

數(shù)組列表賦值

可以為未壓縮的數(shù)組或數(shù)組的一個(gè)片段分配一個(gè)值列表，這些值包含在每個(gè)數(shù)組維度的’{and}大括號(hào)之間。

列表語(yǔ)法類(lèi)似于在C中為數(shù)組指定值列表，但在大括號(hào)前添加了撇號(hào)使用’-“作為開(kāi)頭分隔符”表明，所包含的值是表達(dá)式列表，而不是SystemVerilog連接運(yùn)算符（后面會(huì)詳細(xì)介紹）。

還可以使用嵌套列表為多維數(shù)組分配值列表。嵌套的列表集必須與數(shù)組的維度完全匹配。

此數(shù)組分配相當(dāng)于以下各項(xiàng)的單獨(dú)分配：

通過(guò)指定默認(rèn)值，可以為未壓縮數(shù)組的所有元素指定相同的值。默認(rèn)值是使用

指定的，如以下代碼段所示：

數(shù)組元素的位選擇和部分選擇

可以從數(shù)組元素向量中選擇一位或一組位。必須首先選擇數(shù)組的單個(gè)元素，然后進(jìn)行位選擇或部分選擇。

通過(guò)端口將數(shù)組傳遞給任務(wù)和函數(shù)。任何類(lèi)型和任意數(shù)量的未壓縮數(shù)組都可以通過(guò)模塊端口傳遞，也可以傳遞到任務(wù)和函數(shù)參數(shù)。端口或任務(wù)/函數(shù)形式參數(shù)也必須聲明為數(shù)組，端口或參數(shù)數(shù)組必須與要傳遞的數(shù)組具有相同的布局（與數(shù)組復(fù)制的規(guī)則相同）。

最初的Verilog語(yǔ)言只允許簡(jiǎn)單的向量通過(guò)模塊端口，或傳遞到任務(wù)或函數(shù)參數(shù)。要傳遞上述示例中表數(shù)組的值，需要256個(gè)端口，數(shù)組的每個(gè)元素一個(gè)端口。

Problem 10-Vector0

題目說(shuō)明

構(gòu)造一個(gè)電路，擁有 1 個(gè) 3 bit 位寬的輸入端口，4 個(gè)輸出端口。其中一個(gè)輸出端口直接輸出輸入的向量，剩下 3 個(gè)輸出端口分別各自輸出 3 bit 中的 1 bit。

這個(gè)題目的核心就是上面的圖片，模塊和端口已經(jīng)被定義好了，黑色的框圖以及箭頭代表模塊和端口。我們需要做的工作是完成圖中綠色的部分，其中箭頭上的小斜杠旁邊的數(shù)字代表該向量（總線）的位寬，用于將向量同 wire 信號(hào)區(qū)別開(kāi)來(lái)。

模塊端口聲明

moduletop_module(
inputwire[2:0]vec,
outputwire[2:0]outv,
outputwireo2,
outputwireo1,
outputwireo0);

題目解析

這個(gè)題目重點(diǎn)是向量的選取和賦值，在文章最前面已經(jīng)介紹過(guò)了，大家仔細(xì)看過(guò)應(yīng)該很好理解。

moduletop_module(
inputlogic[2:0]vec,
outputlogic[2:0]outv,
outputlogico2,
outputlogico1,
outputlogico0
);

assignoutv=vec;
assigno0=vec[0];
assigno1=vec[1];
assigno2=vec[2];

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅（后面會(huì)展示）。

這一題就結(jié)束了。

Problem 11-Vector1

題目說(shuō)明

16 位輸入信號(hào)分別輸出 高 8 位 和低 8 位。

模塊端口聲明

`default_nettypenone//Disableimplicitnets.Reducessometypesofbugs.
moduletop_module(
inputwire[15:0]in,
outputwire[7:0]out_hi,
outputwire[7:0]out_lo);

通過(guò)添加`default_nettype none 宏定義會(huì)關(guān)閉隱式聲明功能，那么這樣一來(lái)，使用未聲明的變量就會(huì)變成一個(gè) Error 而不再只是 Warning。

題目解析

這道題難度不大主要是向量的選擇，但是要掌握的知識(shí)很多，這題前面由很多這方面的知識(shí)點(diǎn)，包括壓縮數(shù)組和非壓縮數(shù)組，隱式轉(zhuǎn)換等，建議大家在做題前仔細(xì)閱讀題目前的知識(shí)點(diǎn)。

也可以查看下面的文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/57452966

`default_nettypenone//Disableimplicitnets.Reducessometypesofbugs.
moduletop_module(
inputwirelogic[15:0]in,
outputvarlogic[7:0]out_hi,
outputvarlogic[7:0]out_lo);

assignout_hi=in[15:8];
assignout_lo=in[7:0];
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅（后面會(huì)展示）。

這一題就結(jié)束了。

Problem 12-Vector2

題目說(shuō)明

一個(gè) 32 位的向量可以看做由 4 個(gè)字節(jié)組成（bits[31:24],[23:16]，等等）。構(gòu)建一個(gè)電路，將輸入向量的字節(jié)順序顛倒，也就是字節(jié)序大小端轉(zhuǎn)換。

如：

AaaaaaaaBbbbbbbbCcccccccDddddddd => DdddddddCcccccccBbbbbbbbAaaaaaaa

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[31:0]in,
output[31:0]out);

題目解析

還是在聯(lián)系向量的提取和賦值。

moduletop_module(
inputlogic[31:0]in,
outputlogic[31:0]out
);


assignout[31:24]=in[7:0];
assignout[23:16]=in[15:8];
assignout[15:8]=in[23:16];
assignout[7:0]=in[31:24];

endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅（后面會(huì)展示）。

這一題就結(jié)束了。

PS：下面的答案也是對(duì)的

assignout={in[7-:8],in[15-:8],in[23-:8],in[31-:8]};

可以自行查找知識(shí)學(xué)習(xí)上面的寫(xiě)法。

Problem 13-Vectorgates

題目說(shuō)明

a,b是兩個(gè) 3bit 寬的輸入變量，要求輸出 a,b 逐位或，a,b 邏輯或以及 a,b 按位取反的結(jié)果，其中 b 在高位。

問(wèn)題的核心就是上面的圖片，模塊和端口已經(jīng)被定義好了，黑色的框圖以及箭頭代表模塊和端口。我們需要做的工作是完成圖中綠色的部分。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[2:0]a,
input[2:0]b,
output[2:0]out_or_bitwise,
outputout_or_logical,
output[5:0]out_not
);

題目解析

這個(gè)題目還是挺繞的，難度不是很大，理解題目就能寫(xiě)出來(lái)，這里除了上一個(gè)題目的向量提取和賦值以外，還由一個(gè)知識(shí)點(diǎn)-邏輯求反運(yùn)算符（！）和按位反轉(zhuǎn)運(yùn)算符（~）之間的區(qū)別~

之前簡(jiǎn)單介紹了以下，這次就詳細(xì)介紹，后續(xù)就不展開(kāi)說(shuō)了。

應(yīng)注意不要混淆邏輯求反運(yùn)算符（！）以及按位反轉(zhuǎn)運(yùn)算符（~）。求反運(yùn)算符對(duì)其操作數(shù)執(zhí)行真/假求值，并返回表示真、假或未知結(jié)果的1位值。按位反轉(zhuǎn)運(yùn)算符對(duì)操作數(shù)的每一位（補(bǔ)碼）執(zhí)行邏輯反轉(zhuǎn)，并返回與操作數(shù)相同位寬的值。

在某些操作中，這些操作的結(jié)果恰好相同，但在其他操作中，它們返回的值非常不同。當(dāng)運(yùn)算符與決策語(yǔ)句一起被錯(cuò)誤使用時(shí)，這種差異可能導(dǎo)致錯(cuò)誤代碼。考慮下面的例子：

前面代碼片段的最后兩行之所以不同，是因?yàn)檫@兩個(gè)運(yùn)算符的工作方式不同——邏輯求反運(yùn)算符（！）通過(guò)將兩位相加或相減，對(duì)2位選擇執(zhí)行真/假計(jì)算，然后反轉(zhuǎn)1位結(jié)果，按位反轉(zhuǎn)運(yùn)算符（~）只反轉(zhuǎn)2位選擇向量的每一位的值，并返回2位結(jié)果。if語(yǔ)句然后對(duì)2位向量進(jìn)行真/假測(cè)試，該向量的計(jì)算結(jié)果為真，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)后的值仍有一位設(shè)置為1。

如果向量的任何位為1，邏輯運(yùn)算將返回true，這可能會(huì)導(dǎo)致在測(cè)試特定位時(shí)出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。計(jì)算向量值時(shí)，使用等式或關(guān)系運(yùn)算符測(cè)試可接受的值。

moduletop_module(
inputlogic[2:0]a,
inputlogic[2:0]b,
outputlogic[2:0]out_or_bitwise,
outputlogicout_or_logical,
outputlogic[5:0]out_not
);
assignout_or_bitwise=a|b;
assignout_or_logical=a||b;
assignout_not={~b,~a};
endmodule

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅（后面會(huì)展示）。

這一題就結(jié)束了。

Problem 14-Gates4

題目說(shuō)明

分別構(gòu)建一個(gè) 4 輸入與門(mén)，或門(mén)以及異或門(mén)。

模塊端口聲明

moduletop_module(
input[3:0]in,
outputout_and,
outputout_or,
outputout_xor
);

題目解析

這一題的關(guān)鍵是多輸入與、或以及異或門(mén)的實(shí)現(xiàn)，學(xué)過(guò)數(shù)電的化難度就不是很大了。

moduletop_module(
inputlogic[3:0]in,
outputlogicout_and,
outputlogicout_or,
outputlogicout_xor
);
assignout_and=∈
assignout_or=|in;
assignout_xor=^in;

endmodule

或者

moduletop_module(
inputlogic[3:0]in,
outputlogicout_and,
outputlogicout_or,
outputlogicout_xor
);
assignout_and=in[0]&in[1]&in[2]&in[3];
assignout_or=in[0]|in[1]|in[2]|in[3];
assignout_xor=in[0]^in[1]^in[2]^in[3];;

endmodule

第二種方式更易于理解，第一種方式就是上面的按位操作符，可以翻看上面的說(shuō)明。

點(diǎn)擊Submit，等待一會(huì)就能看到下圖結(jié)果：

注意圖中的Ref是參考波形，Yours是你的代碼生成的波形，網(wǎng)站會(huì)對(duì)比這兩個(gè)波形，一旦這兩者不匹配，仿真結(jié)果會(huì)變紅。

總結(jié)

今天的5道題就結(jié)束了，整體難度不大，后面的題目難度會(huì)越來(lái)越大~

最后我這邊做題的代碼也是個(gè)人理解使用，有錯(cuò)誤歡迎大家批評(píng)指正，祝大家學(xué)習(xí)愉快~

代碼鏈接：

https://github.com/suisuisi/SystemVerilog/tree/main/SystemVerilogHDLBits

審核編輯 ：李倩