數字硬件建模SystemVerilog-循環語句

經過幾周的更新，SV核心部分用戶自定義類型和包內容已更新完畢，接下來就是RTL表達式和運算符。

馬上HDLBits-SystemVerilog版本也開始準備了，基本這一部分完成后就開始更新~

循環語句允許多次執行編程語句或begin-end語句組。SystemVerilog中的循環語句有：for、repeat、while、do..while、foreach和forever。其中，所有綜合編譯器只支持for和repeat循環。其他類型的循環可能由一些綜合編譯器支持，但這些限制限制了這些循環的用途。本系列重點介紹所有綜合編譯器都支持的for和repeat循環。

for循環語句

for循環的一般語法是：

循環開始時，initial_assignment只執行一次。

end_expression在循環第一次通過之前進行計算。如果表達式為true，則執行語句或語句組。如果表達式為false，則循環退出。

在每次循環結束時執行step_assignment。再次計算end_expression。如果為真，則循環重復，否則退出循環。

下面的代碼片段演示了使用for循環的一個簡單示例，該示例使用b_bus中的反向位位置對a_bus的每個位進行異或。對于4位總線，a_bus[0]與b_bus[3]進行異或，a_bus[1]與b_bus[2]進行異或，以此類推。

綜合編譯器“展開”循環體來實現循環，這意味著循環中的語句或begin…end語句組被復制到循環迭代的次數。在上面的代碼片段中，賦值語句被復制了四次，因為循環從0迭代到3。綜合時展開循環后看到的代碼是：

循環將執行的迭代次數必須是固定的次數，以便綜合器進行循環展開。迭代次數固定的循環稱為靜態循環。

循環的優勢在迭代次數越多時越明顯，如果a和b在上面的for循環片段中是64位總線，則需要64行代碼來手動異或兩條64位總線，對于for循環，無論總線的向量大小如何，只需要兩行代碼。

示例6-7展示了上述代碼片段的完整參數化模型，圖6-7顯示了綜合該模型的結果。

示例6-7：使用for循環對向量位進行操作

//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
modulebus_xor
#(parameterN=4)//bussize
(inputlogic[N-1:0]a,b,//scalableinputsize
outputlogic[N-1:0]y//scalableoutputsize
);
timeunit1ns;timeprecision1ns;

always_combbegin
for(inti=0;i
 圖6-7：示例6-7的綜合結果：循環對向量位進行操作

	

	在圖6-7中可以看到，for循環的四次迭代是如何展開的，以及如何成為異或操作的四個實例。

	靜態循環與依賴數據的循環 (Static loops versus data-dependent loops)

	靜態循環，也稱為數據獨立循環，在這種循環中，可以確定迭代次數，而不必知道任何變量網絡的值。for (int i=0；i <= 3；i++）是一個靜態循環。可以確定循環將迭代4次（i=0 ?到i = 3），這種不依賴于其他信號，就能確定循環迭代次數的循環就是靜態循環。

	依賴數據的循環（data-dependent loop）是一種非靜態循環，需要評估網絡或變量的值，以確定循環將執行多少次。for (int i=0; i<=count; i++)依賴于count具體的數值，因為在不知道count值的情況下，無法確定循環將迭代多少次。

	零延遲和定時循環(Zero-delay and timed loops)

	零延遲循環不包含任何形式的時序。零延遲循環代表組合邏輯。在仿真中，零延遲循環會立即執行。在由綜合器生成的門級電路實現中，零延遲循環在單個時鐘周期內執行。前例6-7中所示的for循環是零延遲靜態循環。

	定時循環是需要消耗時間來執行循環的每個過程。定時循環并不代表組合邏輯的行為，因為循環的執行可能需要超過一個時鐘周期才能完成。

				最佳實踐指南6-3
		

				for循環是靜態的、零延遲的循環，迭代次數固定。
		

	為了展開循環，綜合編譯器需要能夠靜態地確定循環迭代次數。雖然有些for循環代碼寫的是靜態循環，并且仿真也是正確的，但是可能是不可綜合的。這方面的一個例子是：

	

	代碼片段的目的是遍歷數據向量，以找到為1的最低編號位。循環從數據的最低有效位0開始，并向上迭代，直到數據中的一位為l。通過修改end_count（循環結束條件）的值，找到第一個為l的位后，循環立即終止。雖然在循環開始之前結束計數被初始化為32，但它的值可以隨著循環的執行而改變。

	綜合編譯器在這個代碼片段中遇到的問題是，不可能靜態地確定循環將迭代多少次，因為循環的結束條件可能會根據輸入的數據值（data值）發生變化而變化。為了展開循環，綜合需要循環執行固定的次數。

	無需依賴數據即可退出循環的可綜合方式。示例6-8顯示了前面代碼段的可綜合編碼樣式。示例6-8使用一個執行固定次數的靜態循環，避免不是在循環結束時提前終止循環，而不是根據數據的值（data值）來確定循環的結束。

	當找到最低的為1的位時，循環對剩余的迭代不做任何操作，圖6-8顯示了綜合該示例的結果。在本例中，數據的總線大小是參數化的，并設置為4位寬，以便減小綜合后的原理圖的大小。

	例6-8；使用for循環查找向量中為1的最低位
//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
modulefind_lowest_bit
#(parameterN=4)//bussize
(inputlogic[N-1:0]data,
outputlogic[$clog2(N):0]low_bit
);
timeunit1ns;timeprecision1ns;

logicdone;//localflag

always_combbegin
//findlowestbitthatissetinavector
low_bit='0;
done='0;
for(inti=0;i<=N-1;?i++)?begin?
??????if?(!done)?begin?
????????if?(data[i])?begin?
??????????low_bit?=?i;
??????????done?=?'1;
????????end?
??????end?
????end?
??end?
??
endmodule:?find_lowest_bit
//`end_keywords

圖6-8：示例6-8的綜合結果 

	

				最佳實踐指南6-4
		

				以固定的迭代大小對所有循環進行編碼，這種編碼風格確保循環可以展開，并且將得到所有綜合編譯器的支持。
		

	循環迭代器變量壽命和可見性（For-loop iterator variable lifetime and visibility）

	用于控制for循環的變量稱為循環迭代器變量。通常，循環迭代器變量被聲明為initial assignment(初始賦值)的一部分，如下所示：

	

	當作為初始賦值的一部分聲明時，循環迭代器變量是for循環的局部變量，不能在循環外引用。循環迭代器變量是自動生成的，這意味著該變量在循環開始的時間創建，并在循環退出時消失。

	循環迭代器變量也可以在for循環之外聲明，例如在模塊級別或在命名的begin-end組中聲明。外部聲明的循環迭代器變量在循環退出后仍然存在，可以在聲明變量的同一范圍內的其他地方使用。當循環退出時，外部變量的值將是在結束條件評估為false之前，賦值步驟所指定的最后一個值。

	Repeat循環

	Repeat循環執行循環一定次數。Repeat循環的一般語法是：

	

	以下示例使用Repeat循環將data信號提高到3的冪（數據立方）。

	

	SystemVerilog有一個指數冪運算符，但一些綜合編譯器不支持該運算符。上面的代碼片段顯示了如何使用Repeat循環算法執行指數運算（將一個值與自身重復相乘）。

	與for循環一樣，如果循環的邊界是靜態的，則Repeat循環是可綜合的，這意味著循環迭代的次數要求是固定的，并且不依賴于運行過程中可能發生變化的值。

	示例6-9顯示了上述指數運算片段的完整示例。在本例中，數據輸入的寬度和指數或冪運算被參數化，以使示例更通用。這些參數在編譯時是固定的常量。因此，使用參數作為迭代次數的Repeat循環是可綜合的靜態循環。這個模型的輸出q是時序邏輯，因此q要使用非阻塞賦值，循環中的迭代是組合邏輯，其最終結果記錄在阻塞賦值的臨時變量中，因此，它的新值可用于循環的下一次迭代。

	示例6-9：使用Repeat循環實現冪運算
//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
moduleexponential
#(parameterE=3,//powerexponent
parameterN=4,//inputbussize
parameterM=N*2//outputbussize
)
(inputlogicclk,
inputlogic[N-1:0]d,
outputlogic[M-1:0]q
);
timeunit1ns;timeprecision1ns;

always_ff@(posedgeclk)begin:power_loop
logic[M-1:0]q_temp;//tempvariableforinsidetheloop
if(E==0)
q<=?1;??//?do?to?power?of?0?is?a?decimal?1
????else?begin?
??????q_temp?=?d;
??????repeat?(E-1)?begin?
????????q_temp?=?q_temp?*?d;
??????end?
??????q?<=?q_temp;
????end?
??end:?power_loop
??
endmodule:?exponential
//`end_keywords?


	

	圖6-9顯示了示例6-9的綜合結果，當E的值為3時，Repeat循環執行2次，綜合結果創建了乘法器的2個實例。輸出向量q的每一位都由一個通用觸發器進行賦值，圖中只顯示了第一個輸出寄存器觸發器，

	 圖6-9：示例6-9的綜合結果：Repeat循環實現冪運算

	綜合時間考慮。靜態、零延遲的循環或Repeat循環將綜合為組合邏輯。如果該組合邏輯的輸出被記錄在觸發器中，那么由循環推斷的組合邏輯的總傳播延遲必須小于一個時鐘周期。

				筆記
		

				每個特定ASIC或FPGA設備的功能和限制可能會有很大的不同。使用乘法、除法、模和冪運算符的RTL模型應與目標設備的功能相匹配。
		

	注意，在圖6-9中，示例6-9中Repeat循環推斷的乘法器是級聯的。乘法器鏈的總傳播延遲需要小于等于一個時鐘周期，以便在輸出觸發器中記錄有效且穩定的結果。一些綜合編譯器可以進行寄存器重定時，插入或移動寄存器，以在組合邏輯中創建流水。寄存器重定時是綜合編譯器的一項功能，不在本文的范圍內。有關此主題的更多信息，請參閱綜合編譯器的文檔。

	如果寄存器重定時不可用，則不滿足設計時鐘周期的循環將需要重新編碼為流水或狀態機形式，手動將循環展開為多個時鐘周期。

	While和do-While循環

				最佳實踐指南6-5
		

				使用for循環和repeat循環進行RTL建模。不要使用while和Do-while循環。
		

	盡管許多綜合編譯器都支持這些循環，但它們有一些限制，比如使代碼難以維護和重用，這就限制了它們在RTL建模中的實用性。相反，使用for循環或repeat循環，由于循環迭代的次數是靜態的，所以增加了它們在RTL建模中的實用性。為了完整起見，本文簡單介紹了while和do-while循環，但不推薦使用。

	while循環執行編程語句或begin-end語句組，直到end_expression變為false。在循環的頂部計算結束表達式（end_expression）。如果第一次輸入循環時結束表達式為false，則根本不執行語句或語句組。如果結束表達式為true，則執行語句或語句組，然后循環返回頂部并再次計算結束表達式（end_expression）。

	do-while循環也執行編程語句或begin-end語句組，直到end_expression變為false。通過do-while循環，結束表達式（end_expression）在循環的底部進行計算。因此，第一次必進入循環。如果循環到達底部時結束表達式（end_expression）為false，則循環退出。如果結束表達式（end_expression）為true，循環將返回頂部并再次執行語句或語句組，

	下面的代碼顯示了一個使用while循環的不可綜合示例：

	

	此示例統計16位data信號中有多少位被設置為l。data值被復制到名為temp的臨時變量中。如果設置了temp的位0為l，則num_ones計數器將遞增。然后將temp變量右移一次，這將移出位0，并將位0移到位15。只要至少有一位temp被設置為1，temp的計算結果為true，循環就會繼。當temp的計算結果為false時，循環退出。temp中的某個值在某些位中有X或Z，但沒有將任何位設置為1，這也會導致while循環退出。

	本示例不可綜合，因為循環執行的次數取決于data，不是靜態的，如上一節所述。綜合無法明確地確定循環將執行多少次，因此無法展開循環，就無法綜合。

	For each循環和通過向量的循環

	For each循環遍歷未壓縮數組的所有維度。未壓縮數組是網絡或變量的集合，其中集合可以通過使用數組名稱作為一個整體進行操作，或者數組的單個元素可以使用數組中的索引進行操作。數組的元素可以是任何數據類型和向量大小，但數組的所有元素必須是相同的類型和大小。數組可以有任意數量的維度。數組聲明的一些示例如下：

	

	可以使用[ starting_address:ending_address]樣式，如上面的mem數組，或使用[dimension_sizel風格，與查找表數組一樣，前面更詳細地討論了聲明和使用未壓縮數組。

	foreach循環用于迭代數組元素，foreach循環將自動聲明其循環控制變量，自動確定數組的開始和結束索引，并自動確定索引的方向（增加或減少循環控制變量）。

	下面的示例遍歷一個二維數組，該數組表示帶有一些數據的查找表。對于數組中的每個元素，都會調用一個函數來對該值進行某種操作（函數未顯示）。

	

	請注意，i和j變量沒有聲明——foreach循環會在內部自動聲明這些變量。也不需要知道數組的每個維度的邊界。foreach循環會自動從每個維度的最低索引值迭代到最高索引值。

	在整理這個系列時，一些綜合編譯器不支持foreach循環。在RTL模型中使用之前，工程師應該確保項目中使用的所有工具都支持哪種循環類型。

				筆記
		

				迭代數組所有維度的另一種編碼方式是使用for循環。前面的示例可以使用所有綜合編譯器支持的靜態for循環重寫。
		

	

	請注意，在這個嵌套for循環示例中，每個數組維度的大小及其起始和結束索引值必須進行硬編碼（即需要明確的數值），以匹配數組聲明的大小。SystemVerilog還提供數組查詢系統功能，適用于不同大小或參數化大小的數組，可使for循環更通用。前面的例子可以寫成：

	

				筆記
		

				在編寫本文時，一些綜合編譯器不支持數組查詢系統函數。在RTL模型中使用之前，工程師應該確保項目中使用的所有工具都支持這些功能。
		

	以下是數組查詢系統功能的簡要說明。有關這些查詢功能的更多信息，請參閱IEEE 1800 SystemVerilog語言參考手冊。

	（數組名，維度）-返回指定維度的最右邊索引號。維度以數字1開頭，從最左邊的未壓縮維度開始。在最右邊的未壓縮維度之后，維度編號與最左邊的壓縮維度繼續，并以最右邊的壓縮維度結束。

	（數組名，維度）-返回指定維度最左邊的索引號。尺寸標注的編號與相同。

	（數組名，維度）-如果大于或等于，則返回1；如果小于，則返回-1。

	（數組名，維度）-返回指定維度的最低索引號，可以是左索引或右索引。

	（數組名，維度）-返回指定維度的最高索引號，可以是左索引或右索引。

	（數組名，維度）-返回指定維度中的元素總數（與-+1相同）。

	（數組名）返回數組中的維度數，包括壓縮維度和未壓縮維度，

	   審核編輯：彭靜