SV常量变量

发表于 更新于 分类于 ，
System Verilog中的常量，静态变量、自动变量及其生命周期，时间值

常量

全局

  • define定义宏常量
    • 全局跨文件文本常量替换

模块级

  • parameter定义可重写模块级常量
    • 编译时常量，实例化时可被覆盖
    • 支持表达式计算
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module RAM #(
    parameter DEPTH = 1024,                      // 简单常量
    parameter ADDR_WIDTH = $clog2(DEPTH),        // 表达式计算
    parameter [7:0] INIT_VALUE = 8'hA5           // 带类型声明
) (
    input logic [ADDR_WIDTH-1:0] addrs
);
    localparam HIGH_BIT = ADDR_WIDTH - 1;        // 派生常量
endmodule

// 实例化时覆盖参数
RAM #(.DEPTH(2048), .INIT_VALUE(8'hFF)) ram_inst();
  • localparam定义不可重写模块级常量
    • 模块内部专用常量
    • 不能被外部覆盖，常用于派生参数
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module ALU (
    input logic [7:0] a, b
);
    localparam OP_ADD = 2'b00;            // 操作码常量
    localparam OP_SUB = 2'b01;
    localparam OP_AND = 2'b10;
    
    localparam RESULT_WIDTH = 9;          // 内部计算结果位宽
endmodule

块、类级

  • const定义运行时可初始化的常量
    • 可在类、函数、initial块中使用
    • 需要显示初始化，初始化后不可变
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class Packet;
    const int MAX_SIZE;     // 声明
    
    function new(int size);
        MAX_SIZE = size;    // 在构造函数中初始化
    endfunction
endclass

initial begin
    const real PI = 3.1415926;         // initial块常量
    const byte START_ADDR = 8'h40;
end

枚举常量

  • typedef enum定义枚举常量
    • 用于定义状态机、命令码等有限值集合
    • 自动或手动赋值，提高代码可读性
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typedef enum logic [2:0] {       // 显式指定底层类型
    IDLE  = 3'b001,              // 手动赋值
    START = 3'b010,
    RUN   = 3'b100,
    ERROR = 3'b111
} state_t;

typedef enum {                   // 自动赋值
    RED,    // 0
    GREEN,  // 1
    BLUE    // 2
} color_t;

常量函数

  • 用于复杂计算生成常量值
  • 在编译时求值，只能包含常量表达式
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function automatic int clog2(input int n);
    return (n <= 1) ? 0 : 1 + clog2(n >> 1);
endfunction

parameter MEM_SIZE = 4096;
localparam ADDR_W = clog2(MEM_SIZE); // 计算结果为常量

静态变量

声明

  • 隐式静态变量：module、program中的function和task中声明的变量默认是静态的
  • 显示静态变量：使用static关键词显式声明

特性

  • 存储在全局数据区，固定内存位置

  • 同一个模块多次实例化时共享静态变量

    • 由于使用共享的静态存储区，这也可能导致不用线程之间窜用

  • 适用场景

    • 模块级配置参数
    • 硬件寄存器建模
    • 时序逻辑总是使用静态变量保持状态
      • 如跨多个时钟周期保持值的计数器
    • 跨时间控制语句的变量

生命周期

  • 从仿真开始（时间0）持续到仿真结束
  • 在多次触发的过程块中，只在仿真时间为0时进行一次初始化
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module
always_ff @(posedge clk) begin
    static int count = 0;  // 仅仿真开始时初始化为0，声明并非执行语句，后续不再重复初始化
    count <= count + 1;    // 每次触发递增
end                           // 输出序列：1, 2, 3...（非0,1,2...）
   
// 等效硬件行为，更推荐
reg [31:0] counter = 0;      // 综合为带初始值的寄存器
always @(posedge clk) begin
  counter <= counter + 1;
end

自动变量

声明

  • 隐式自动变量：class内部的fucntion、task中声明的变量默认是自动的，initial和always中声明的变量默认也是自动的
  • 显示自动变量：使用automatic关键词显示声明
    • 建议在需要动态存储时，显式声明automatic，而非依赖隐式规则，避免混淆
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//program块中显示指定自动存储方式
program automatic test();
    //用检测数据何时被写入存储器任务
    task wait_for_bus(input logic [31:0] addr, expect_data,
                      output logic success);
        while (bus_addr !== addr)
            @(bus_addr);
        sucess = (bus_data == expect_data);
    endtask
endprogram

特性

  • 存储在栈帧中，动态分配内存
  • 多实例独立，每次调用创建独立副本
  • 适用场景
    • 纯计算逻辑中使用自动变量
    • 递归函数必须使用自动变量
    • 不需要保持状态的中间变量
    • 验证环境中的临时对象

生命周期

  • 仅在作用域激活期间存在
  • 每次进入作用域时重新初始化
  • 作用域结束时销毁
  • initial中的自动变量可能在进程挂起后被回收，根据仿真器调度选项而定
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always_ff @(posedge clk) begin
    int count = 0;                 // 错误：在always内部隐式声明自动变量
    count <= count + 1;            // 永远输出1
end

task calculate();
    automatic int temp = 0;      // 每次调用时初始化为0
    temp++;
    $display(temp);              // 总是显示1
endtask

initial begin
  automatic int delay = 10;
  #delay;                          // 挂起delay个时间单位
  // 调度器计划在($time + &delay)时唤醒这个进程
  // 这里&delay为delay的内存位置，而非实际值
  // 如果delay已被回收，仿真器可能无法确定何时唤醒
end

时间值

单位与精度

  • 一种方法是使用编译指示语句``timescale`。确保时延有适宜的量程和精度
    • 当采用多种``timescale`时，可能会因编译次序导致问题
    • 建议每个文件末尾都以``timescale`结束，将其恢复为公司规定的默认值
  • 另一种方式是使用timeunit和timeprecision声明语句为每个模块指明时间
    • 若使用上述语句替代``timescale`，要求把它们放入每个带时延的模块中

时间参数

  • 控制时间显示格式：$timeformat(四个参数)，主要影响$display、monitor等任务中%t格式符的输出
    • 第一个参数：时间单位指数（必填），如-9对应1ns、-12对应1ps
    • 第二个参数：小数点后保留位数（默认0）
    • 第三个参数：时间值后的后缀（默认空字符串）
    • 第四个参数：时间字符串的最小宽度（默认20），自动左侧补空格
  • $time的返回值是根据所在模块的时间精度要求进行舍入的整数，$realtime的返回值则是带小数部分的完整实数
    • 在计算时延时也可以使用time t或realtime r定义变量存储数据
    • 如在``timescase 1ns/100ps中，time t = 800ps以1ns存储，realtime r = 800ps`以0.8ns存储
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module timing;
    timeunit 1ns;
    timeprecision 1ps;
    initial begin
        $timeformat(-9, 3, "ns", 8);
        #1     $display("%t", $realtime); //1.000ns
        #2ns   $display("%t", $realtime); //3.000ns
        #0.1ns $display("%t", $realtime); //3.100ns
        #41ps  $display("%t", $realtime); //3.141ns
    end
endmodule