verilog基础语法之比较器

逻辑运算符以及逻辑电路概述

逻辑运算符常用于条件判断语句，输出为布尔值True/False。逻辑运算符是基于比较器构造的。比较器电路是产生逻辑比较的本质；比较器电路的复杂度与位宽和比较类型相关；一般情况下可以先构造基本比较器，其他比较器由基本比较器合成。基本的比较器是>，==，<。其他逻辑运算符是由这三个基本比较器构造成的。>=比较器是由<比较器取反得到。!=比较器由==取反得到。<=比较器由＞比较器取反得到。逻辑非比较器 !A≡(A==0)。逻辑与A&&B≡(A!=0)&（B!=0）。逻辑或A||B≡(A!=0)|（B!=0）。

逻辑运算符如下:

// The forllowing logical operators are used in conditional TRUE/FALSE statements 
// such as an if statement in order to specify the condition for the operation.
// 
//    ! .... Not True
//    && ... Both Inputs True
//    || ... Either Input True
//    == ... Inputs Equal
//    === .. Inputs Equal including X and Z (simulation only)
//    != ... Inputs Not Equal
//    !== .. Inputs Not Equal including X and Z (simulation only)
//    < .... Less-than
//    <= ... Less-than or Equal
//    > .... Greater-than
//    >= ... Greater-than or Equal
			

目录：

1.大于比较器 >

2. 小于等于比较器 ≤

3. 小于比较器 <

4. 大于等于比较器 ≥

5. 等于比较器 ==

6. 不等于比较器 !=

7. 逻辑非 !

8. 逻辑与 &&

9. 逻辑或 ||

1.大于比较器 >

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1
    );
assign y1 = a>b;    // 取出某一位
endmodule

一位＞RTL结构图，该逻辑仅仅是一个与门，其中a==1,b==0时，输出为高。

一位＞技术原理图，一个与运算仅仅需要一个Lut查找表即可实现

四位＞比较器RTL结构图，标识出一个＞模块，内部不可以观察。

技术原理图，多位比较器本质上仍然是一个组合逻辑，通过lut+mux来实现。

2. 小于比较器 <

单独观察＜比较器，就可以看成是＞比较器换个输入端口即可实现。需要＞与＜比较器一起实现观察。

代码

// 18.＜比较器基本电路
module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
assign y1 = a>b;    // 取出某一位
assign y2 = a<b;    // 取出某一位 
endmodule

RTL结构图，依然是一个封装模块。

技术原理图，这是组合逻辑电路，

3. 小于等于比较器 ≤

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
//assign y1 = a>b;    // 取出某一位
assign y2 = a<=b;    // 取出某一位 
endmodule

四位RTL结构图，该电路是一个封装模块，不可打开。

四位技术原理图，组合电路来实现

4. 大于等于比较器≥

单独观察≥比较器，它的本质也是把≤的输入端口修改一下，≥与≤一起观察。

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
assign y1 = a>=b;    // 取出某一位
assign y2 = a<=b;    // 取出某一位 
endmodule

RTL结构图

技术原理图

5. ＞，≥，＜，≤综合电路图

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output	y3,
	output	y4,
	output  y2
    );
assign y1 = a>=b;    
assign y2 = a<=b;    
assign y3 = a>b;    
assign y4 = a<b;   
endmodule

RTL结构图

技术原理图，从技术原理图来看，各个比较器相互独立，确保具有相同的门电路结构延时。并没有在基本的电路基础上取反来实现。这种方式消耗资源多，但是提高了比较器的响应速度。

6. 等于比较器 ==

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1
    );
assign y1 = a==b;    // 取出某一位
endmodule

RTL结构图

技术原理图，技术原理图是组合逻辑

7. 等于比较器 ！=

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1
    );
assign y1 = a!=b;    // 取出某一位
endmodule

RTL结构图

技术原理图

8. 等于与不等于比较器

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
assign y1 = a==b;    // 取出某一位
assign y2 = a!=b;    // 取出某一位 
endmodule

RTL结构图

技术原理图

9 所有比较器综合比较

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output	y3,
	output	y4,
	output	y5,
	output	y6,
	output  y2
    );
assign y1 = a>=b;    
assign y2 = a<=b;    
assign y3 = a>b;    
assign y4 = a<b;   
assign y5 = a==b;    
assign y6 = a!=b;   
endmodule

RTL结构图

技术原理图

10 .? 逻辑非 !

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
assign y1 = !a;    // 取出某一位
endmodule

RTL结构图，结构图来看，逻辑非是判断输入的各个位都为0时，输出1，否则输出0，因此采用了一个与门逻辑，并且对输入的各个位取反。

技术原理图

11. 逻辑或 &&

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
assign y1 = a&&b;    // 取出某一位
endmodule

RTL结构图，从结构图来看，分别对两个输入进行逻辑非计算，然后对两个非输出再次进行逻辑非计算。

技术原理图

12. 逻辑或||

代码

module assign1(
	input[3:0] a,b,
	output	y1,
	output  y2
    );
assign y1 = a||b;    // 取出某一位 
endmodule

RTL结构图，逻辑或||运算首先对两个输入分别进行逻辑非运算，然后对输出的结果进行或非运算。

技术原理图

总结

逻辑比较器运算符电路都是组合逻辑电路，FPGA通过LUT查找表来实现。虽然逻辑运算符可以通过取反得到另外一种逻辑运算符，这样可以简化电路的结构，但是FPGA综合工具并没有这么处理，主要是为了减少电路的延时门长度，通过牺牲资源来梯形逻辑运算的响应速度。此外所有的逻辑运算符在FPGA中，都是通过从新组合成电路来实现的。FPGA相当于从新构造运算单元来完成计算的。这是FPGA与CPU的区别的主要特征。CPU的算术运算单元是固有的，使用的时候通过指令进行调用就行了。另外，LUT查找表再次扮演了组合逻辑设计的重要角色，原理上能够完成所有逻辑运算器电路的设计。当然对于高性能的设计，还需要借助进位链来实现。

通过逻辑运算单元的测试，进一步体验了一把基本逻辑运算的概念与电路之间的关系，对于理解计算机，FPGA等基本结构有很大的帮助，是性能优化以及设计芯片的基础。