Verilog HDL: Tổng quan toán tử, thứ tự ưu tiên và các lỗi thường gặp

By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)

※記事内に広告を含みます。Amazonアソシエイトとして適格販売により収入を得ています。

1. Tổng quan về Verilog HDL và tầm quan trọng của toán tử

2. Biểu diễn số trong Verilog

Dạng cơ bản của biểu diễn số

<ビット幅>'<基数><値>

Giải thích từng thành phần

• Độ rộng bit: Chỉ định số bit mà giá trị chiếm dụng.
• Ví dụ: 4 nghĩa là 4 bit.
• Cơ số: Chỉ định hệ đếm của giá trị. Dùng các ký hiệu sau.
• b: nhị phân
• o: bát phân
• d: thập phân
• h: thập lục phân
• Giá trị: Giá trị số thực tế.

Ví dụ cụ thể

• 4'b1010 → số nhị phân 4 bit, giá trị 10.
• 8'd255 → số thập phân 8 bit, giá trị 255.
• 16'hABCD → số thập lục phân 16 bit, giá trị ABCD.

Bỏ qua độ rộng bit

Lưu ý

Giá trị chưa xác định và trở kháng cao

• 1'bx: giá trị chưa xác định.
• 1'bz: trở kháng cao.

3. Tổng quan và phân loại toán tử

Phân loại toán tử

1. Toán tử số học

• Dùng cho phép tính số.
• Ví dụ: +, -, *, /, %

1. Toán tử trên bit

• Thao tác logic theo từng bit.
• Ví dụ: &, |, ^, ~

1. Toán tử rút gọn (reduction)

• Thu gọn thao tác logic bit thành 1 bit.
• Ví dụ: &, |, ^

1. Toán tử dịch

• Dịch trái/phải dãy bit.
• Ví dụ: <<, >>, <<<, >>>

1. Toán tử quan hệ

• So sánh hai giá trị, trả về đúng/sai.
• Ví dụ: <, <=, >, >=, ==, !=

1. Toán tử điều kiện

• Trả về giá trị theo điều kiện.
• Ví dụ: ? :

1. Toán tử nối

• Nối các dãy bit.
• Ví dụ: {}

Khái quát từng nhóm

Cơ bản về toán tử số học

• Ví dụ dùng:

 reg [7:0] a, b, result; assign result = a + b; // aとbを加算

Cơ bản về toán tử trên bit

• Ví dụ dùng:

 reg [3:0] a, b, result; assign result = a & b; // AND演算

Cơ bản về toán tử rút gọn

• Ví dụ dùng:

 reg [3:0] a; assign result = &a; // 全ビットのANDを計算

Cơ bản về toán tử điều kiện

• Ví dụ dùng:

 assign result = (a > b) ? a : b; // aがbより大きい場合はaを返す

4. Cách dùng và các lưu ý khi dùng toán tử

Toán tử số học

Các toán tử chính và ví dụ

Lưu ý khi sử dụng

1. Chỉ hỗ trợ số nguyên: Verilog không hỗ trợ số thực dấu phẩy động; mọi phép tính đều là số nguyên.

 // 浮動小数点演算は不可 real a = 3.5, b = 1.5; // assign result = a / b; // エラー

2. Hạn chế khi tổng hợp phép nhân/chia: * và / dùng được trong mô phỏng, nhưng khi tổng hợp sẽ tốn tài nguyên phần cứng. Nên cân nhắc dùng phần cứng nhân chuyên dụng hoặc thay bằng dịch bit khi phù hợp.

Toán tử trên bit

Các toán tử chính và ví dụ

Lưu ý khi sử dụng

1. Khớp độ rộng bit: Nếu độ rộng toán hạng khác nhau, kết quả sẽ theo độ rộng lớn hơn — có thể gây kết quả bất ngờ.

 reg [3:0] a; reg [7:0] b; assign result = a & b; // resultのビット幅は8ビット

2. Xử lý giá trị X/Z: Thao tác bit với giá trị chứa X hoặc Z có thể tạo ra kết quả không mong muốn.

Toán tử rút gọn

Các toán tử chính và ví dụ

Lưu ý khi sử dụng

• Diễn giải kết quả: Kết quả là 1 bit — cần hiểu ý nghĩa logic của bit này trong ngữ cảnh thiết kế.

 reg [3:0] a = 4'b1101; assign result = &a; // 結果: 0（すべてのビットが1ではないため）

Toán tử dịch

Các toán tử chính và ví dụ

Lưu ý khi sử dụng

1. Số có dấu/không dấu: Với số có dấu, nên dùng dịch số học.

 reg signed [7:0] a = -8'd4; // -4を保持 assign result = a >>> 1; // 結果: -2

2. Quá phạm vi dịch: Nếu lượng dịch vượt quá độ rộng bit, kết quả có thể về 0. Cần kiểm soát.

5. Chi tiết về toán tử quan hệ, điều kiện và nối

Toán tử quan hệ

Các toán tử chính và ví dụ

Lưu ý khi sử dụng

1. So sánh số có dấu/không dấu: So sánh trộn lẫn kiểu có thể cho kết quả ngoài ý muốn.

 reg signed [3:0] a = -2; reg [3:0] b = 2; assign result = (a < b); // 結果は0（符号付きのため）

2. Xử lý giá trị chưa xác định: Khi so sánh giá trị có X hoặc Z, kết quả có thể không xác định; cần chú ý cảnh báo mô phỏng.

Toán tử điều kiện

Cú pháp

result = (条件式) ? 値1 : 値2;

Ví dụ

reg [7:0] a = 8'd10; reg [7:0] b = 8'd20; assign result = (a > b) ? a : b; // aがbより大きい場合はa、そうでない場合はb

Lưu ý khi sử dụng

1. Tránh lồng nhiều tầng: Lồng quá sâu làm giảm khả năng đọc; cân nhắc dùng if-else.

 // 可読性が低下する例 assign result = (a > b) ? ((c > d) ? c : d) : e;

2. Khác biệt mô phỏng và tổng hợp: Khi tổng hợp, điều kiện có thể biến thành logic rẽ nhánh như case; điều kiện phức tạp có thể ảnh hưởng tài nguyên.

Toán tử nối

Cú pháp

{ビット列1, ビット列2, ...}

Ví dụ

reg [3:0] a = 4'b1101; reg [3:0] b = 4'b0011; wire [7:0] result; assign result = {a, b}; // 結果: 8'b11010011

Lưu ý khi sử dụng

1. Kiểm tra độ rộng bit: Độ rộng kết quả là tổng độ rộng các toán hạng; thiếu độ rộng sẽ gây cắt cụt (truncation).

 reg [3:0] a = 4'b1101; reg [3:0] b = 4'b0011; wire [5:0] result; assign result = {a, b}; // aとbのビット幅に対してresultが不足 // トランケーションが発生

2. Thứ tự giá trị: Giá trị bên trái nằm ở bit cao hơn. Nhầm thứ tự sẽ cho kết quả sai ý.

6. Thứ tự ưu tiên và quy tắc kết hợp của toán tử

Thứ tự ưu tiên

Điểm cần nhớ

1. Ưu tiên dùng ngoặc: Ngay cả khi hiểu thứ tự ưu tiên, với biểu thức phức tạp vẫn nên dùng ngoặc để tường minh.

 // 明確な式 assign result = (a + b) * c;

2. Ưu tiên của toán tử điều kiện: ? : có ưu tiên thấp; dùng ngoặc để tránh đánh giá sai ý.

 // 条件演算子の優先順位に注意 assign result = a > b ? a + c : b - c; // 括弧なしでも動作するが明示が推奨

Quy tắc kết hợp

Ví dụ về quy tắc kết hợp

1. Trái sang phải: Đánh giá từ trái qua phải.

 assign result = a - b - c; // ((a - b) - c)

2. Phải sang trái: Đánh giá từ phải qua trái.

 assign result = a ? b : c ? d : e; // (a ? b : (c ? d : e))

Tránh sự cố do ưu tiên/kết hợp

Case study: Hiểu nhầm ưu tiên

assign result = a + b << c; // どちらが先に評価されるか？

• << có ưu tiên cao hơn +, nên biểu thức được đánh giá như sau:

 assign result = a + (b << c);

Case study: Tường minh bằng ngoặc

assign result = (a + b) << c; // 意図を明確化

• Dùng ngoặc làm rõ ý định, thuận lợi cho debug và review.

7. Lưu ý và lỗi thường gặp khi dùng toán tử

Các lưu ý

1. Xử lý giá trị X/Z

Lưu ý

• Kết quả có thể trở thành X, dẫn đến hành vi ngoài ý muốn.
• Z chủ yếu dùng trong cấu trúc như buffer tri-state.

Đối sách

• Khởi tạo rõ ràng các tín hiệu có thể trở về X.
• Dùng $display/$monitor để theo dõi giá trị trong mô phỏng.

Ví dụ

reg [3:0] a = 4'bz; // 高インピーダンス assign result = a + 4'b0011; // 結果は未定義（X）

2. Khác biệt giữa số có dấu và không dấu

Lưu ý

• Nếu trộn kiểu, phép toán thường được đánh giá theo kiểu không dấu.
• Dùng $signed/$unsigned để ép kiểu tường minh khi cần.

Đối sách

• Thống nhất kiểu khi phép toán có cả hai dạng.
• Khai báo kiểu có dấu khi thực hiện phép toán có dấu.

Ví dụ

reg signed [3:0] a = -4; reg [3:0] b = 3; assign result = a + b; // 結果が符号なしで評価される

3. Không khớp độ rộng bit

Lưu ý

• Thiếu độ rộng dẫn đến cắt cụt.
• Ở phép dịch, thiếu độ rộng của tín hiệu lượng dịch có thể gây kết quả sai.

Đối sách

• Chỉ định rõ độ rộng để tránh thiếu/thừa.
• Đệm bằng 0 (zero-padding) khi cần.

Ví dụ

reg [3:0] a = 4'b1010; reg [7:0] b = 8'b00001111; assign result = a + b; // 結果のビット幅は8ビット

Lỗi thường gặp và cách khắc phục

1. Hiểu nhầm thứ tự đánh giá của toán tử điều kiện

Ví dụ lỗi

assign result = a > b ? a + c : b - c > d;

• Thứ tự đánh giá không như ý gây sai lệch.

Khắc phục

assign result = (a > b) ? (a + c) : ((b - c) > d);

• Dùng ngoặc để tường minh thứ tự.

2. Không nhất quán phép toán có dấu

Ví dụ lỗi

reg signed [7:0] a = -8'd10; reg [7:0] b = 8'd20; assign result = a + b; // 結果が符号なしで評価される

Khắc phục

assign result = $signed(a) + $signed(b); // 明示的に符号付きとして評価

3. Lượng dịch vượt phạm vi

Ví dụ lỗi

assign result = a << 10; // aのビット幅が8ビットの場合、不正な結果が出力

Khắc phục

assign result = (10 < $bits(a)) ? (a << 10) : 0; // シフト量を制限

Điểm mấu chốt khi khắc phục sự cố

• Dùng log mô phỏng: $display, $monitor để theo dõi giá trị tín hiệu.
• Quan sát dạng sóng: Xác định nơi phát sinh X/Z.
• Kiểm thử theo khối nhỏ: Tách mô-đun nghi vấn để test độc lập.

8. Tổng kết

Phân loại và cơ bản về toán tử

• Các nhóm chính:

1. Toán tử số học (cộng/trừ/nhân/chia…)
2. Toán tử trên bit (thao tác theo bit)
3. Toán tử rút gọn (đánh giá toàn dãy bit)
4. Toán tử dịch (dịch trái/phải)
5. Toán tử quan hệ (so sánh)
6. Toán tử điều kiện (ba ngôi)
7. Toán tử nối (nối dãy bit)

Lưu ý khi sử dụng

1. Phát sinh X/Z

• Đặc biệt cần chú ý khi mô phỏng.
• Khởi tạo để ngăn lan truyền X.

1. Trộn số có dấu/không dấu

• Dễ gây kết quả ngoài ý muốn.
• Dùng $signed/$unsigned để ép kiểu tường minh.

1. Quản lý độ rộng bit

• Tránh cắt cụt và đệm không chủ đích.

1. Thứ tự đánh giá của biểu thức phức tạp

• Dùng ngoặc để tường minh và an toàn.

Khắc phục sự cố

• Dùng log mô phỏng ($display, $monitor) và dạng sóng để xác định vấn đề.
• Với thiết kế lớn, test theo mô-đun nhỏ để cô lập lỗi.

Lời cuối

FAQ (Câu hỏi thường gặp)

Q1. Toán tử trong Verilog là gì?

Q2. Khác nhau giữa toán tử điều kiện (? :) và câu lệnh if-else?

assign result = (a > b) ? a : b;

if (a > b) result = a; else result = b;

Q3. Xử lý giá trị chưa xác định (X) và trở kháng cao (Z) thế nào?

1. Khởi tạo tín hiệu cho các tín hiệu chưa dùng.
2. Viết mã có thể tổng hợp: tránh dùng Z nếu không cần tri-state.

Q4. Dùng toán tử dịch (<<, >>) ra sao?

assign result = a << 2; // aを2ビット左にシフト assign result = a >> 2; // aを2ビット右にシフト

Q5. Làm thế nào xử lý số có dấu trong Verilog?

reg signed [7:0] a = -8'd10; reg [7:0] b = 8'd20; assign result = $signed(a) + $signed(b); // 符号付きとして計算

Q6. Lưu ý khi phép toán giữa các tín hiệu khác độ rộng?

reg [3:0] a = 4'b1010; reg [7:0] b = 8'b00001111; assign result = {4'b0000, a} + b; // aをゼロ埋めして8ビットに拡張

Q7. Kiểm tra thứ tự ưu tiên của toán tử như thế nào?

assign result = (a + b) * c; // 括弧で優先順位を明示

Q8. Toán tử điều kiện có thể tổng hợp không?

Q9. Toán tử của Verilog có dùng cho VHDL được không?

Q10. Xác minh cách dùng toán tử đã đúng bằng cách nào?

1. Mô phỏng: dùng $display, $monitor để kiểm tra kết quả.
2. Testbench: xác minh mã sử dụng toán tử trong testbench.
3. Quan sát dạng sóng: kiểm tra trực quan kết quả mô phỏng.