組合邏輯決策優(yōu)先級介紹

數(shù)字門級電路可分為兩大類：組合邏輯和時序邏輯。鎖存器是組合邏輯和時序邏輯的一個交叉點，在后面會作為單獨的主題處理。

組合邏輯描述了門級電路，其中邏輯塊的輸出直接反映到該塊的輸入值的組合，例如，雙輸入AND門的輸出是兩個輸入的邏輯與。如果輸入值發(fā)生變化，輸出值將反映這一變化，組合邏輯的RTL模型需要反映這種門級行為，這意味著邏輯塊的輸出必須始終反映該邏輯塊當前輸入值的組合。

SystemVerilog有三種在可綜合RTL級別表示組合邏輯的方法：連續(xù)賦值語句、always程序塊和函數(shù)。接下來幾篇文章將探討每種編碼風格，并推薦最佳實踐編碼風格。

組合邏輯決策優(yōu)先級

SystemVerilog對if-else-if決策序列和case語句的語義是：按順序計算一系列選擇-只執(zhí)行第一個匹配的分支。這種行為使得表示優(yōu)先級編碼邏輯成為可能，即其中一種選擇優(yōu)先于另一種選擇。下面的代碼片段演示了一個以if-else-if決策鏈建模的4-2優(yōu)先級編碼器，其中高階位優(yōu)先于低階位。

同樣的優(yōu)先級編碼器也可以通過使用case語句來建模。（下例使用了一種稱為reverse case語句的編碼風格）。

if-else-if示例和case語句示例在功能上相同，并將綜合為等效的門級電路。

從case語句中刪除不必要的優(yōu)先編碼

上面的優(yōu)先級編碼器示例取決于if-else-if決策和case語句的優(yōu)先級評估流程。然而，大多數(shù)決策序列并不依賴于這種仿真語義，即按照決策選項的列出順序?qū)ζ溥M行評估。有限狀態(tài)機（FSM）的獨熱碼狀態(tài)解碼器說明了這一點，每一個單次值都是唯一的。因此，case選項是相互排斥的——沒有兩個case選項可以同時為真。對于互斥的case選項， case選項的順序無關(guān)緊要，case語句的優(yōu)先級性質(zhì)也無關(guān)緊要。

下面的示例顯示了一個簡單的獨熱碼狀態(tài)機解碼器，獨熱碼編碼在枚舉類型標簽的文本值中。

綜合編譯器優(yōu)化case語句優(yōu)先級。在將RTL case語句轉(zhuǎn)換為門級實現(xiàn)時，綜合編譯器將在需要時保留優(yōu)先級編碼的求值，例如前面顯示的BCD示例。然而，當case選項相互排斥時，綜合編譯器將自動刪除優(yōu)先級編碼，并創(chuàng)建并行邏輯來評估case選項。與優(yōu)先級編碼電路相比，并行電路速度更快，所需要的門數(shù)更少。

unique和unique0的決策修飾符

在一些罕見的情況下，不需要對case語句進行隱式優(yōu)先級編碼，但綜合編譯器無法靜態(tài)地確定case選項在所有條件下都是互斥的，當這種情況發(fā)生時，綜合編譯器將在門級實現(xiàn)中保留優(yōu)先級編碼邏輯，以備不時之需。這種情況通常發(fā)生在以下情況之一：

case選項表達式使用通配符位。 case-inside決策允許使用通配符位，因為這些位可以是任何值，所以case表達式可能匹配多個case項。

如果case選項表達式使用變量，則綜合是一個靜態(tài)編譯過程，因此無法確定變量的值是否永遠不會重疊。

例7-3是一個reverse case語句，其中case項是具有一個變量的獨熱碼。

示例7-3：具有優(yōu)先級編碼邏輯（部分代碼）的狀態(tài)解碼器

//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
modulecase_with_priority_decode
(inputlogic[2:0]current_state,
outputlogicget_ready,get_set,get_going
);

typedefenumlogic[2:0]{READY=3'b001,
SET=3'b010,
GO=3'b100}states_t;

always_combbegin
{get_ready,get_set,get_going}=3'b000;
case(1'b1)
current_state[0]:get_ready='1;
current_state[1]:get_set='1;
current_state[2]:get_going='1;
endcase
end

endmodule:case_with_priority_decode
//`end_keywords

設(shè)計者可能知道current_state使用獨熱碼，因此case項是互斥的。然而，綜合編譯器不能靜態(tài)地確定當前狀態(tài)變量的值在所有情況下都是互斥的。因此，綜合器將使用優(yōu)先級編碼邏輯實現(xiàn)這一獨熱碼解碼器。case語句不會被自動優(yōu)化為并行計算。圖7-3顯示了綜合這種reverse case的結(jié)果。

圖7-3：例7-3的綜合結(jié)果：具有優(yōu)先級的case語句

因為綜合編譯器無法識別current_state變量只會有一個單獨的值，因此，case項是互斥的。

unique的決策參數(shù)。

當綜合無法自動檢測到case項值是互斥的時，設(shè)計工程師需要通知綜合編譯器，case項之間確實是唯一的。這可以通過在case關(guān)鍵字之前添加一個unique的決策修飾符來實現(xiàn)，如下例所示:

示例7-4：具有unique并行編碼邏輯的狀態(tài)解碼器

//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
modulecase_with_unique0_decode
(inputlogic[2:0]current_state,
outputlogicget_ready,get_set,get_going
);

typedefenumlogic[2:0]{READY=3'b001,
SET=3'b010,
GO=3'b100}states_t;

always_combbegin
{get_ready,get_set,get_going}=3'b000;
unique0case(1'b1)
//uniquecase(1'b1)//work-aroundifunique0notsupported
current_state[0]:get_ready='1;
current_state[1]:get_set='1;
current_state[2]:get_going='1;
endcase
end

endmodule:case_with_unique0_decode
//`end_keywords

圖7-4顯示了綜合該示例的結(jié)果。

圖7-4：示例7-4的綜合結(jié)果：使用unique

使用unique會指示綜合編譯器可以并行計算case項。與圖7-3所示的優(yōu)先級實現(xiàn)相比，這顯著減少了該獨熱碼解碼器的門數(shù)和傳播路徑的數(shù)量。

對于綜合，unique修飾符表示每個case項表達式都將具有互斥的“唯一”值，因此門級實現(xiàn)可以并行計算case項，unique修飾符進一步通知綜合，在case狀態(tài)中未使用的任何案例表達式值，可以忽略不計。但在某些設(shè)計中,這可能會觸發(fā)綜合優(yōu)化，從而減少門數(shù)和傳播路徑。

對于仿真，unique支持運行時錯誤檢查。如果出現(xiàn)以下情況，將報告違規(guī)信息：

絕不會有多個case 項表達式同時為true

出現(xiàn)的每個case表達式值都有一個分支。

大多數(shù)情況下，不需要也不應該在case語句中使用unique 決策修飾符——unique修飾符可能會導致綜合優(yōu)化，這在許多設(shè)計中可能并不可取。

示例7-3和7-4中所示的reverse case語句編碼風格是綜合編譯器需要決策修飾符以實現(xiàn)最佳結(jié)果質(zhì)量（QoR）的少數(shù)例外之一。

unique0決策修飾符

SystemVerilog-2009添加了一個unique0決策修飾符。與unique一樣，unique0決策修飾符通知綜合編譯器，每個case項表達式都有一個排斥的、唯一的值，在門級實現(xiàn)之前，可以并行計算case項，但與unique不同，unique0修飾符不會通知綜合忽略case語句中未使用的case表達式值。

對于仿真，unique0決策修飾符只支持運行時錯誤檢查，以確保不存在多個case項表達式同時為真。如果對case語句進行了計算，并且沒有匹配的case項，則不會出現(xiàn)運行時違規(guī)消息。

過時的parallel_case 綜合注釋

（pragma就是為了讓編譯器編譯出的程序與機器硬件和操作系統(tǒng)保持完全兼容而定義的宏擴展）

SystemVerilog在最初的Verilog語言中添加了unique和unique0的決策修飾符。在傳統(tǒng)的Verilog中，設(shè)計工程師告訴綜合編譯器所有case項都可以被視為互斥的唯一方法是通過parallel_case的synthesis pragma語句。synthesis pragma是以synthesis一詞開頭的特殊注釋。仿真器會忽略注釋，但綜合編譯器會對這些專用的synthesis pragma進行操作。

case（

	

				筆記
		

				在寫本文的時候，一個商業(yè)綜合編譯器并不認為// synthesis是綜合注釋。該編譯器要求pragma以// pragma或// synopsys開頭。
		

	警告-使用注釋向綜合編譯器提供指令存在危險。Parallel_case之類的注釋可以對case語句的門級實現(xiàn)產(chǎn)生重大影響。這些效果在仿真中無法驗證！對于仿真器來說，綜合注釋不過是一種注釋。RTL級別的設(shè)計驗證不是驗證與門級實現(xiàn)相同的功能。

	unique和unigue0決策修飾符取代了parallel_case綜合注釋——這些決策修飾符是語言的活躍部分，而不是以注釋出現(xiàn)。

	unique0 case在綜合中的效果與parallel_case相同，此外，unique0支持運行時仿真檢查，確保每次計算case語句時，case表達式最多只匹配一個case項（如果case表達式不匹配任何case項，則不是錯誤）。

	unique case在綜合中的效果與兩個綜合注釋相同， parallel_case和full_case。unique修飾符允許運行時仿真檢查，即在每次計算case語句時，case表達式正好與一個case項相匹配。

				最佳實踐指南7-11
		

				不要使用過時的parallel_case綜合注釋！
		

	綜合編譯器非常擅長自動檢測case語句何時可以作為并行解碼器實現(xiàn)，而不影響設(shè)計功能，在極少數(shù)情況下，需要告知綜合編譯器使用并行實現(xiàn)時，請使用unique決策修飾符。unique決策修飾符通知綜合編譯器，case項可以像parallel_case綜合注釋一樣被視為互斥的，但決策修飾符添加了仿真運行時檢查，以幫助檢測RTL仿真期間case項并行解碼的潛在問題。

	（unique0 決策修飾符更準確地描述了parallel_case綜合注釋，但本文不建議使用unique0，因為在編寫本文時，大多數(shù)綜合編譯器都不支持它。）

	





	審核編輯：劉清