Verilog基础语法——条件语句if-else与case_vivado case语句用法

写在前面

  在Verilog语法中，常用的条件语句有if-else语句和case语句，用于判断条件是否为真，并执行判断条件后面的表达式。

一、if-else语句

  if-else语句的基本语法如下：

if(条件1)
    // 表达式1...
else if(条件2)
    // 表达式2...
else // 其他条件
    // 表达式3...
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  if-else语句也可以嵌套使用，其语法如下：

if(条件1)
    if(条件2)
        // 表达式1...
    else
        // 表达式2...
else // 其他条件
    // 表达式3...
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  在使用if-else语句时，若不补全else语句以及后面的表达式，则默认在除了所列出条件以外的其他条件下，保持变量原先的值。而对于组合逻辑而言，变量保持原先的值，电路综合时会综合出锁存器Latch。比如：

// 会产生锁存器Latch（组合逻辑中）
always @(*) begin
    if(条件1)
        // 表达式1
end    
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  而在时序逻辑中，变量保持原先的值，不会产生锁存器Latch，所以对于else语句下变量保持原先的值的情况，可以不补全else语句（建议补全else条件后执行的表达式）。

// 不会产生锁存器Latch（时序逻辑中）
always @(posedge clk) begin
    if(条件1)
        // 表达式1
end    
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  如果在组合逻辑中使用if-else语句，有一种等价写法，用连续赋值语句assign进行替换。比如：

reg     [1:0]    out;

always @(*) begin
    if(a == 2'b11)
        out = 2'b00;
    else if(a == 2'b10)
        out = 2'b11;
    else
        out = 2'b01;
end 
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  可以使用三目运算符“ ?: ”进行替换，如下。需要注意的是连续赋值语句assign赋值的变量是wire型变量，而在always语句中赋值的变量是reg型变量。

wire    [1:0]    out;

assign out = (a == 2'b11) ? 2'b00 : (a == 2'b10) ? 2'b11 : 2'b01;
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问题一：if-else语句中各个条件是否具有优先级？各个条件的判断是串行的还是并行的？条件互斥是否存在影响？

  以下面这段代码为例，if-else语句中各个条件互斥。

// if-else（条件互斥）
module top(
    input    wire    [1:0]    din  ,
    input    wire    [3:0]    din_a,
    input    wire    [3:0]    din_b,
    input    wire    [3:0]    din_c,
    input    wire    [3:0]    din_d,
    output   reg     [3:0]    dout 
);

always @(*) begin
    if(din == 2'b00)
        dout = din_a;
    else if(din == 2'b01)
        dout = din_b;
    else if(din == 2'b10)
        dout = din_c;
    else if(din == 2'b11)
        dout = din_d;
    else
        dout = 4'b0000;
end   

endmodule
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  上述代码对应的真值表如下所示：

  其RTL Schematic如下图所示，可以看出这里5个条件所对应的4个MUX是串行的，存在优先级关系，其中优先级顺序为：第一级>第二级>第三级>第四级。

  而在FPGA内部，MUX是由LUT构成的，综合后的电路是否存在优先级关系？下图为综合后的Schematic，可以看到综合后的实际电路是并行的。

  这里if-else语句条件是互斥的，互斥是否会存在影响？对上述代码稍加修改（各个条件不互斥），如下：

// if-else（条件不互斥）
module top(
    input    wire    [1:0]    din  ,
    input    wire    [3:0]    din_a,
    input    wire    [3:0]    din_b,
    input    wire    [3:0]    din_c,
    output   reg     [3:0]    dout 
);

always @(*) begin
    if(din[0] == 1'b1)
        dout = din_a;
    else if(din[1] == 1'b1)
        dout = din_b;
    else
        dout = din_c;
end   

endmodule
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  上述代码对应的真值表如下所示：

  其RTL Schematic如下图所示，可以看出这里3个条件所对应的2个MUX同样是串行的，存在优先级关系，其中优先级顺序为：第一级>第二级。

  再对上述代码进行综合，综合后的电路如下。可以看出综合后的电路是并行的，不存在优先级关系。

  综上所述，在FPGA设计中，if-else语句综合后的电路无优先级关系，是并行执行的，与判断条件是否互斥无关。

二、case语句

  if-else语句常用于判断条件较少的情况。对于判断条件较多的情况下，使用if-else语句会显得繁琐，使用case语句会更加简洁直观。本节介绍case语句、casez语句和casex语句三者的用法。

2.1 case语句

  case语句的基本语法如下：

case(判断条件)
    条件值1: 表达式1;
    条件值2: 表达式2;
    条件值3: 表达式3;
    default: 表达式4; // 其他条件
endcase
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  case语句中只有当判断条件与条件值完全相等时，才为真值（True），执行条件值对应的表达式。case语句的真值表如下所示：

  case语句中有两点需要注意：（1）case语句没有补全default，则对于未声明的情况，变量保持原先的值。在组合逻辑中，若未声明所有情况，则对于未声明的情况，变量保持原先的值，综合时会产生锁存器Latch。而在时序逻辑中，对于未声明的情况，变量保持原先的值，综合出来的是寄存器；（2）case语句中各个状态之间需要互斥，若各个状态不互斥，则比较电路的输出结果可能是不定态x。

问题： case语句是否具有优先级？是串行还是并行？

  同样的，将前面if-else示例中的if-else语句替换为case语句，如下：

// case（条件互斥）
module top(
    input    wire    [1:0]    din  ,
    input    wire    [3:0]    din_a,
    input    wire    [3:0]    din_b,
    input    wire    [3:0]    din_c,
    input    wire    [3:0]    din_d,
    output   reg     [3:0]    dout 
);

always @(*) begin
    case(din)
        2'b00: dout = din_a;
        2'b01: dout = din_b;
        2'b10: dout = din_c;
        2'b11: dout = din_d;
        default : dout = 4'b0000;
    endcase
end   

endmodule
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  其RTL Schematic如下图所示，可以看到case对应的各个条件之间无优先级关系，是并行的。

  综合后的电路如下图所示，是并行的。

  综上所述，case语句的各个条件之间无优先级关系，是并行的。

2.2 casez语句

  casez语句的基本语法如下：

casez(判断条件)
    条件1: 表达式1;
    条件2: 表达式2;
    条件3: 表达式3;
    default: 表达式4; // 其他条件
endcase
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  casez语句的语法与case语句一致，但是其真值表不一致，如下表所示。

  在casez语句中，将高阻态z视为不关心的状态，即在进行比较时，高阻态z与任意状态的比较结果（==）均为真值1（True）。

2.3 casex语句

  casex语句的基本语法如下：

casex(判断条件)
    条件1: 表达式1;
    条件2: 表达式2;
    条件3: 表达式3;
    default: 表达式4; // 其他条件
endcase
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  casex语句的真值表，如下表所示。在casex语句中将高阻态z和不定态x都视为不关心的状态，即在进行比较时，高阻态z、不定态x与任意状态的比较结果（==）均为真值1（True）。

写在后面

  在本文中，我们学习了if-else语句和case语句（case/casez/casex）的基本用法以及两者之间的区别。通过实验对比if-else语句与case语句综合后的电路，结果表明，两种条件语句中的各个条件不存在优先级关系，综合后的电路是并行的。

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