數(shù)字硬件建模SystemVerilog-運(yùn)算符/表達(dá)式規(guī)則

經(jīng)過(guò)幾周的更新，SV核心部分用戶自定義類型和包內(nèi)容已更新完畢，接下來(lái)就是RTL表達(dá)式和運(yùn)算符。

馬上HDLBits-SystemVerilog版本也開(kāi)始準(zhǔn)備了，基本這一部分完成后就開(kāi)始更新~

介紹

運(yùn)算符對(duì)操作數(shù)執(zhí)行操作。大多數(shù)運(yùn)算符都有兩個(gè)操作數(shù)。例如，在運(yùn)算a+b中，+（加法）運(yùn)算的操作數(shù)是a和b。每個(gè)操作數(shù)都被稱為表達(dá)式，表達(dá)式可以是文字值、變量、網(wǎng)絡(luò)；函數(shù)調(diào)用的返回，或另一個(gè)操作的結(jié)果。表達(dá)式有許多影響操作執(zhí)行方式的特征。這些特征在后面章節(jié)中討論。

4-state（4態(tài)）和2-state（2態(tài)）操作

表達(dá)式可以是2態(tài)或4態(tài)。2態(tài)表達(dá)式的每個(gè)位只能有0或1的值。2態(tài)表達(dá)式不能具有高阻抗值（由字母Z表示）、未知值（由字母X表示）或不關(guān)心值（也由X表示）。4態(tài)表達(dá)式可以在表達(dá)式的任何位中包含0、l、Z或X的值。

對(duì)2態(tài)和4態(tài)表達(dá)式進(jìn)行運(yùn)算的規(guī)則很簡(jiǎn)單——當(dāng)任何操作數(shù)都是4態(tài)表達(dá)式時(shí)，運(yùn)算的結(jié)果將是4態(tài)表達(dá)式。所有操作數(shù)都必須是2態(tài)表達(dá)式才能得到2態(tài)結(jié)果。如果結(jié)果被用作另一個(gè)操作的操作數(shù)，或在編程語(yǔ)句（如if-else）中求值，則此規(guī)則可能會(huì)影響其他操作。

該章中建議的編碼準(zhǔn)則是，RTL建模只使用4態(tài)類型。一個(gè)主要原因是，運(yùn)算結(jié)果中任何一位的X都可以很好地表明其中一個(gè)操作數(shù)有問(wèn)題。當(dāng)使用2態(tài)類型時(shí)，設(shè)計(jì)問(wèn)題可能會(huì)被隱藏，因?yàn)椴僮鹘Y(jié)果中沒(méi)有X值指示潛在的錯(cuò)誤（之前的文章有詳細(xì)討論這部分）。

X-OPTIMISM和X-PESSIMISM

大多數(shù)SystemVerilog運(yùn)算符都是X-optimism，這意味著即使操作數(shù)中有X或Z值，該操作也可能產(chǎn)生已知結(jié)果。一些SystemVerilog運(yùn)算符，如算術(shù)運(yùn)算符和關(guān)系運(yùn)算符，是X-pessimism，這意味著，如果任何操作數(shù)的任何位具有X或Z值，則結(jié)果的所有位將自動(dòng)為X。

X-OPTIMISM。即使一個(gè)或兩個(gè)操作數(shù)的位具有X或Z值，X-optimism也可以產(chǎn)生有效的結(jié)果。考慮下面的示例和所示的邏輯值：

該運(yùn)算的結(jié)果是值4’b0000。這是因?yàn)?運(yùn)算符為其操作數(shù)的每一位建模一個(gè)數(shù)字and邏輯門。在數(shù)字邏輯中，0與任何值的AND運(yùn)算將產(chǎn)生0，操作數(shù)a中的高阻抗位（由Z表示）和未知位（由X表示）在result中變?yōu)?,因?yàn)檫@些位與b中對(duì)應(yīng)的位進(jìn)行AND運(yùn)算，b的值為0。這種行為被稱為X-OPTIMISM。仿真將有一個(gè)已知的結(jié)果，即使操作數(shù)的位具有X或Z值。

X-OPTIMISM僅適用于仿真可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際邏輯門行為的值。在下面的示例中，b操作數(shù)是全1而不是全0。

運(yùn)算的結(jié)果是值4’b01xx。對(duì)于這些操作數(shù)值，X-optimism不適用于最右邊的兩個(gè)位。在實(shí)際邏輯門中，高阻抗AND （與）X，可能會(huì)產(chǎn)生0或1，其值取決于一系列條件，例如用于構(gòu)建與門的晶體管類型、晶體管電路的阻抗和電容、工作電壓，甚至環(huán)境溫度。抽象RTL和運(yùn)算符沒(méi)有此詳細(xì)信息。如果沒(méi)有這些細(xì)節(jié)，數(shù)字仿真無(wú)法預(yù)測(cè)0或1是否會(huì)由1與Z相加產(chǎn)生。類似地，X代表未知值，這意味著實(shí)際邏輯門值可能是0、1或Z，如果存在這種模糊性，數(shù)字仿真無(wú)法預(yù)測(cè)0或1是否會(huì)由1與X相加產(chǎn)生。

**X-pessimistic。少數(shù)SystemVerilog運(yùn)算符更"悲觀"**。如果任何操作數(shù)的任何位具有X或Z值，則該操作會(huì)自動(dòng)返回一個(gè)值，其中所有位都為X。X-pessimistic如算術(shù)運(yùn)算符（如加法運(yùn)算符）和關(guān)系運(yùn)算符（如小于運(yùn)算符）。

運(yùn)算的結(jié)果是4’bxxxx。出現(xiàn)這種X是因?yàn)樗阈g(shù)加法運(yùn)算符執(zhí)行基于數(shù)字的加法，而不是按位加法。操作數(shù)a的值為4’b000x，這不是一個(gè)數(shù)字，因此運(yùn)算結(jié)果是一個(gè)未知值。

后面會(huì)更詳細(xì)地研究SystemVerilog RTL運(yùn)算符，以及每個(gè)運(yùn)算符是X-optimistic or X-pessimistic。為了編寫能夠正確表示的RTL模型，理解這些影響硬件行為至關(guān)重要。

運(yùn)算向量大小和自動(dòng)向量擴(kuò)展

運(yùn)算符的每個(gè)操作數(shù)可以是任意大小的向量；包括標(biāo)量（1位）。操作數(shù)的向量大小可能會(huì)影響操作的執(zhí)行方式。一個(gè)重要的考慮因素是當(dāng)運(yùn)算符的操作數(shù)是不同的向量大小時(shí)。

自定義操作數(shù)Self-determined operands。有些運(yùn)算符獨(dú)立處理每個(gè)操作數(shù)。操作數(shù)是否為不同的向量大小并不重要。這些運(yùn)算符的操作數(shù)稱為自定數(shù)self-determined。在下面的示例中，運(yùn)算符執(zhí)行邏輯“&&”運(yùn)算，測(cè)試兩個(gè)操作數(shù)是否都為真。如果是，則該操作返回的結(jié)果為true，否則，該操作返回的結(jié)果為false：

操作數(shù)a和b是自定數(shù)。每個(gè)操作數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以是真或假，與另一個(gè)操作數(shù)的向量大小無(wú)關(guān)。

上下文確定的操作數(shù)。許多運(yùn)算符需要將操作數(shù)展開(kāi)為相同的向量大小，然后才能執(zhí)行操作。這些運(yùn)算符的操作數(shù)被稱為上下文確定的操作數(shù)（context-determined）。該操作將使最短的操作數(shù)向左擴(kuò)展，使其與最大的操作數(shù)的向量大小相同。在下面的示例中，&運(yùn)算符執(zhí)行按位AND運(yùn)算，將每個(gè)操作數(shù)的每一位相加，并返回布爾結(jié)果。

為了將a的每一位與b的每一位進(jìn)行AND，該操作將兩個(gè)操作數(shù)調(diào)整為相同的向量寬度。該操作將檢查操作的上下文以確定最大的操作數(shù)，然后左擴(kuò)展較短的操作數(shù)以匹配最大操作數(shù)的大小。擴(kuò)展規(guī)則如下：

• 如果最左邊的位為0或l，且操作數(shù)為無(wú)符號(hào)類型，則操作數(shù)為零擴(kuò)展（每個(gè)附加位的值為0）。
• 如果最左邊的位是0或l，并且操作數(shù)是有符號(hào)類型，則操作數(shù)是符號(hào)擴(kuò)展的（每個(gè)額外的位被賦予最左邊位的值或原始值。最左邊的位被稱為符號(hào)位）。
• 如果最左邊的位是Z，則操作數(shù)是Z擴(kuò)展的（每個(gè)額外的位都有Z的值）。
• 如果最左邊的位是X，則操作數(shù)是X擴(kuò)展的（每個(gè)附加位的值為X）。

算術(shù)運(yùn)算的上下文推斷大小比其他運(yùn)算符的上下文推斷大小更復(fù)雜，上下文推斷大小不僅考慮運(yùn)算符的操作數(shù)，還考慮賦值語(yǔ)句右側(cè)和左側(cè)所有表達(dá)式的向量大小，如以下代碼所示：

有符號(hào)和無(wú)符號(hào)表達(dá)式

算術(shù)、比較和移位運(yùn)算符可以執(zhí)行有符號(hào)或無(wú)符號(hào)運(yùn)算。規(guī)則很簡(jiǎn)單——如果執(zhí)行運(yùn)算的所有操作數(shù)都是有符號(hào)的，則執(zhí)行有符號(hào)運(yùn)算。如果任何受影響的操作數(shù)是無(wú)符號(hào)的，則執(zhí)行無(wú)符號(hào)操作——以下代碼段說(shuō)明了這些規(guī)則。注釋中注明了操作類型。

運(yùn)算符的符號(hào)性完全由操作運(yùn)算符的操作數(shù)決定。它不受賦值語(yǔ)句左側(cè)的符號(hào)性影響。

整數(shù)（向量）和實(shí)數(shù)（浮點(diǎn)）表達(dá)式

所有SystemVerilog運(yùn)算符都可以對(duì)整數(shù)值執(zhí)行操作。IEEE SystemVerilog標(biāo)準(zhǔn)將整數(shù)值稱為整數(shù)表達(dá)式——由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)位組成的值。工程師通常將這些整數(shù)或整數(shù)值稱為向量。

SystemVerilog將定點(diǎn)和浮點(diǎn)表達(dá)式稱為實(shí)數(shù)表達(dá)式。大多數(shù)類型的運(yùn)算都可以在實(shí)數(shù)表達(dá)式上執(zhí)行，包括：賦值運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、邏輯（真/假）運(yùn)算、比較運(yùn)算和遞增/遞減運(yùn)算。有一些操作無(wú)法在實(shí)數(shù)表達(dá)式上執(zhí)行。這些操作主要包括向量的位處理，例如位和部分選擇操作、按位操作、移位操作、連接操作和流操作。

可以對(duì)整數(shù)和實(shí)數(shù)表達(dá)式的混合執(zhí)行操作。混合類型運(yùn)算的規(guī)則是，如果任何操作數(shù)是實(shí)數(shù)表達(dá)式，則另一個(gè)操作數(shù)將轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)表達(dá)式，并執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算。