[Verilog] Verilog 数值表示

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前言

Verilog中，可以使用多种方式表示数值。

1. 整数表示

1.1 整数数据类型

基数格式共有四种，分别是十进制（'d 或 'D），十六进制（'h 或 'H），二进制（'b 或 'B），八进制（'o 或 'O）。数值可以指定位宽，也可以不指定位宽。

二进制表示法：以’b’或’B’为前缀，后跟一串0和1的数字序列。例如，4位宽的二进制数值可以表示为4’b1010。

八进制表示法 ， 以’o’ 或 ‘O’ 为前缀， 如八进制数77， 8’o77。八进制数值77转换为十进制表示是63。

十进制表示法：直接使用十进制数字表示。例如，十进制数值23可以表示为8’d23， 也可直接用 23。

十六进制表示法：以’h’或’H’为前缀，后跟一串0-9和A-F的数字序列。例如，8位宽的十六进制数值可以表示为8’h7F。32’h3022_c0de // 32bit 的十六进制数值，下划线 _ 是为了增强代码的可读性。

整数表示法：使用整数变量声明和赋值。例如，使用整数变量n表示数值100可以表示为integer n = 100。

1.2 整数转换函数

Verilog提供了一些系统函数来处理整数。
$dec()：将十六进制或二进制表示的整数转换为十进制数。
$bin()：将十进制或十六进制表示的整数转换为二进制数。
$hex()：将十进制或二进制表示的整数转换为十六进制数。

module integer_example;
  
  reg [7:0] binary_num = 8'b11001011;
  reg [15:0] decimal_num = 134;
  reg [7:0] hex_num = 8'hCB;
  
  initial begin
    $display("Binary number: %b", binary_num);
    $display("Decimal number: %d", decimal_num);
    $display("Hexadecimal number: %h", hex_num);
    
    $display("Decimal representation of binary number: %d", $dec(binary_num));
    $display("Binary representation of decimal number: %b", $bin(decimal_num));
    $display("Hexadecimal representation of decimal number: %h", $hex(decimal_num));
  end
  
endmodule
 

结果：

Binary number: 11001011
Decimal number: 134
Hexadecimal number: CB
Decimal representation of binary number: 203
Binary representation of decimal number: 10000110
Hexadecimal representation of decimal number: 86
 

2. 负数表示

在Verilog中，负数可以使用有符号二进制补码表示法表示。有符号二进制补码表示法中，最高位（MSB）用来表示符号，0表示正数，1表示负数。其余位表示数值部分。

在进行运算时，Verilog会根据这种表示法进行符号扩展和溢出处理。例如，如果要对两个8位的有符号数进行相加，Verilog会自动进行符号扩展和溢出处理，以保证运算结果正确。

在Verilog中，负数可以使用两种表示方式：补码和符号-数（Sign-Magnitude）。下面分别介绍这两种表示方式的实践。

符号-数表示法： 符号-数表示法是另一种表示负数的方法。在符号-数表示法中，最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，其余位表示数值的二进制表示。

例如，假设我们要表示-5，将5的二进制表示为0101，然后将最高位改为1得到符号-数表示：1101。所以-5的符号-数表示为1101。

在Verilog中，可以使用固定位数的有符号数据类型（如reg signed）来表示符号-数。例如，可以声明一个8位有符号变量来表示-5：

reg signed [7:0] num; assign num = 8'sb1101;

补码表示法： 补码是最常用的表示负数的方法。在补码表示法中，最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。补码的数值计算方式为：正数的补码与其本身相同，负数的补码等于其绝对值的反码加1。

例如，假设我们要表示-5，首先将5的二进制表示取反得到反码：0101 -> 1010，然后将反码加1得到补码：1010 + 1 = 1011。所以-5的补码表示为1011。

在Verilog中，可以使用固定位数的有符号数据类型（如reg signed）来表示补码。例如，可以声明一个8位有符号变量来表示-5：

reg signed [7:0] num; assign num = 8'sb1011;

需要注意的是，补码表示法在进行数值计算时更方便，因为在补码的加减运算中，可以直接按照二进制数的运算规则进行操作。而符号-数表示法在进行数值计算时需要进行额外的处理，如判断符号位并进行特殊计算。因此，在大多数情况下，补码表示法更常用。

3. 实数表示

Verilog中的实数可以用固定的点表示法或浮点表示法来表示。

固定点表示法使用一个固定的小数点位置来表示实数。例如，如果我们选择小数点在整数部分的最后一位后面，那么实数3.14就可以表示成314。在Verilog中，可以使用整数类型来表示固定点数，并使用一个参数来指定小数点的位置。

浮点表示法使用科学计数法来表示实数，包括一个尾数和一个指数。在Verilog中，可以使用实数类型来表示浮点数。

下面是一些示例，演示了如何使用固定点表示法和浮点表示法来表示实数：

使用固定点表示法：

parameter FIXED_POINT = 16; // 小数点的位置
reg [31:0] fixed_point_number;

initial begin
  fixed_point_number = 3.14 * (1 << FIXED_POINT);
  $display("Fixed point number: %d", fixed_point_number);
end
 

使用浮点表示法：

reg [31:0] float_number;

initial begin
  float_number = 3.14;
  $display("Floating point number: %f", float_number);
end
 

在Verilog中，实数类型使用32位浮点数表示，其中24位用于尾数，8位用于指数。因此，在浮点表示法中，实数的精度会有限。为了提高精度，可以使用更高位数的固定点表示法。

4. 逻辑电平表示

Verilog HDL 有下列3种基本的值来表示硬件电路中的电平逻辑：

0：逻辑 0 或 “假”
1：逻辑 1 或 “真”
z 或 Z：高阻

z 意味着信号处于高阻状态，常见于信号（input, reg）没有驱动时的逻辑结果。

5. 逻辑值表示

逻辑值可以用以下两个关键字来表示：

0（代表逻辑低，表示逻辑“假”或“假设”）
1（代表逻辑高，表示逻辑“真”或“成立”）
这两个关键字分别用于表示逻辑门的输入和输出值。在Verilog中，逻辑值可以用于描述和表达逻辑门的功能和行为。逻辑值可以用于逻辑门之间的连接，以实现数字电路的功能。
用逻辑值true和false来表示布尔数据。例如，真值true可以表示为1’b1。

6. 字符表示法

用ASCII码或Unicode编码表示字符数据。例如，字符’A’可以表示为8’h41’。

7. 字符串表示

字符串可以用字符串字面值表示，字符串字面值被包围在双引号（"）或单引号（'）之间。
使用双引号表示字符串：

module example;
  reg [7:0] data = "Hello";
  
  initial begin
    $display("%s", data);
  end
endmodule
 

使用单引号表示字符串：

module example;
  reg [7:0] data = 'Hello';
  
  initial begin
    $display("%s", data);
  end
endmodule
 

Verilog中还支持转义序列来表示特殊字符，如换行符（\n），制表符（\t），回车符（\r）等。

module example;
  reg [31:0] data = "Hello\nWorld!";
  
  initial begin
    $display("%s", data);
  end
endmodule
 

字符串"Hello\nWorld!“被赋值给32位寄存器data，当打印出来时，”\n"将被解释为换行符。

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参考文献

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