verilog语法中信号位宽常见问题解析

商震

很多同学在Verilog中定义多位宽变量时，会有许多疑问，现在把一些常见疑问进行罗列解答：1、位宽不能为变量，在程序生成代码时，位宽需为定值。例如：我们有如下错误位宽定义：


如上图，图中的变量cnt2的位宽cnt，被定义为了变量，并且在always语句中进行了赋值操作，进行编译时，编译器对cnt2的定义行（23）报错。
那是不是说明位宽定义必须为纯数字呢？事实上不是，实际运用过程中，位宽被定义为参数的情况，还是比较常见的。


例如在OV5640摄像头的rgb初始化table中，对输出的寄存器初始化参数，将位宽定义为参数形式，能更好的保持程序的扩展应用性。

2、位宽的选择，要以够用为标准，过多的位宽会占用过多的FPGA逻辑资源。例如：在led闪烁实验中，我们将计数器cnt的值位宽从[24:0]修改为[124:0]





可以看到，在资源使用统计报告中，消耗的逻辑资源和寄存器数量，均随位宽的使用增加。

3、仿真中，如果定义的位宽大于源文件中的位宽，则仿真输出的数据会变成蓝色波形，多出的位为高阻态。





如上图，当仿真的位宽大于源程序位宽时，整个输出的数据会呈现特别颜色（默认为蓝色）。多出的位宽，会以Z的形式显示。可以通过这种方法，确定是否位宽定义过大。

4、在多层级的复杂工程中，如果数据通过模块传递时，中途有某一层级位宽忘记定义，则在这一级以后驱动的数据，位宽均默认为1位有效，并且编译器不会报错。例如，我们制造一个经过四级传递的计数器控制led闪烁实验来说明问题。经过了四级传递。正常情况下，计数器的值能够从底层正常传递到顶层，并传递给仿真或外设(此处以led为例)。





但是，在中途传递过程中，有一级cnt的位宽忘记写了，如果没有仿真，则看起来一切正常，并且编译能够通过了，但是上板子就是不能正常运行。通过仿真，能够找到问题的根源在于位宽不正常，从底层到顶层传递过程中，位宽在中途其中一层，定义不正常。情况如下：




从宏观来看，位宽异常导致led闪烁的功能没有实现。仿真图如下：



这一方面说明了位宽定义的重要性，二方面说明了仿真的重要性。所以，对于传递信号，特别是地址、数据信号，一定要记得对对位宽进行定义。

5、在有符号数的表示过程中，最高位为符号位，如果进行有符号位运算，则应当在确定好的位宽后，再加1，保证符号位的正确表达。例如：我们做一个简单的减法运算如下：






从上述案例中可以看到，如果对输出结果的位宽定义不足，没有考虑到符号位的存在，则不但无法获取正确结果，甚至连得到结果的绝对值都是错误的。如c和d，虽然[3:0]表示的四位位宽能装下数字11，但是如果作为有符号数运算没有考虑多放符号位位宽，则结果错误。所以遇到这种情况，应该如e和f一样，至少多放一个位宽，以保证符号位的充分表达。

admin

标题改为：verilog语法中信号位宽常见问题解析，是否更加准确精炼和直击目标。

很多同学在使用verilog进行变量定义时（描述是否恰当？改为在Verilog中定义多位宽变量时，是否更为合理），会有许多疑问，现在把一些常见疑问进行罗列解答：
1、位宽不能为变量，在程序生成代码时，位宽为定值。（什么意思？没看懂，请补充说明）
2、位宽的选择，要以够用为标准，过多的位宽会占用过多的FPGA逻辑资源。（请举例说明）
3、仿真中，如果定义的位宽大于源文件中的位宽，则仿真输出的数据会变成蓝色波形，多出的位为高阻态。（请举例说明）
4、在多层级的复杂工程中，如果数据通过模块传递时，中途有某一层级位宽忘记定义，则在这一级以后驱动的数据，位宽均默认为1位，并且编译器不会报错。（如何去查看，这个问题是有警告的，通过rtl视图也可以查看）
5、在有符号数的表示过程中，最高位为符号位，如果进行有符号位运算，则应当在确定好的位宽后，再加1，保证符号位的正确表达。（此项是否确定，有没有案例证明）

admin

帖子开头一句话，我给了修改建议，暂未发现修改。

第二点，确定是呈线性增加，不是指数？你只列举了2种情况，相当于坐标系中2个点，你拟合得到的函数是根本不可靠的。

第三点，这建议用原色图，否则无法看到你说的蓝色现象等。

第4点，使用的例子不恰当，不了解这个工程，不完全对着这个工程源码看很难和你的文字描述对应上，建议重写一个非常简单的代码案例来做演示，并想办法在信号名命名时候就能体现其所在的层级。


第5点，使用例子不恰当，c和d都只有1位，1位数据谈正负，太没意义了，建议用8位或以上的数据做例子。


另外，请将使用参数形式定义位宽的方法写在帖子里，不明白的可以先学习max发在群里的那个链接。

盛志超

位宽为变量的表示形式：A[base_addr+:Width]  base_addr为起始地址，+/-表示方向，Width为位宽，例 i=1,A[8*i-:8]就是A[8:1]，A[8*i+:8]就是A[15:8]

商震

盛志超 发表于 2021-8-26 12:16
位宽为变量的表示形式：A  base_addr为起始地址，+/-表示方向，Width为位宽，例 i=1,A[8*i-:8]就是A[8:1]， ...

您说的这种情况，是位宽为固定参数的情况吧？这种情况编译器可以接受。但是编译器无法接受一种位宽为赋值寄存器的形式。在程序的不同阶段（典型如状态机的不同状态）下，如果位宽被赋予了不同的值，这种情况，是不能被编译器编译的。