Verilog基础：仿真时x信号的产生和x信号对于各运算符的特性

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信号爆x也许是所有IC人的噩梦，满屏的红色波形常让人头疼不已，但x信号的产生原因却常常只有几种，只要遵循一定的代码规范，就可以避免产生信号中出现x的问题。

最常见问题就是使用了未初始化的reg型变量，因为reg型变量在被创建后使用默认值x。如果在初始化变量之前在其他地方提前使用了，便有可能造成x态的传播。为了避免，可以给所有时序逻辑中用到的reg型变量赋初值（不可综合），但更为推荐的是为所有时序逻辑中使用到的reg型变量添加复位逻辑（可综合）并确保复位，如下所示。对于组合逻辑中使用到的reg型变量，只需要确保始终有正确的驱动即可。

reg a = 0;

reg b;

always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
    if(rst_n)
        b <= 0;
    else
        b <= ***;
end

连续赋值语句也可能会导致x信号的产生，在连续赋值语句对wire型线网赋值时，如果出现了多个驱动源同时驱动为不同的值（除z外，因为z看做没有驱动）时，会显示为不定态，直到多个驱动不冲突，如下所示。

//一个很幼稚的例子
assign a = 1'b0;
assign a = 1'b1; //赋值冲突，所以a的值为x

//一个依旧很幼稚的例子
initial begin
    b = 1'b0;
    c = 1'b1;
end

assign a = b;
assign a = c; //同样是赋值冲突，所以a的值为x


//一个复杂一点的例子
wire  a;
reg b, c;
initial begin
    b = 1'b0;
    c = 1'b0;
    #5 c = 1'b1;
    #5 c = 1'b0;
    #5 c = 1'b1;
    #5 c = 1'b0;
end

assign a = b;
assign a = c; //因为有时冲突，有时不冲突，所以a的值交替为0和x，最后为0

//一个迷惑一点的例子
wire  a;
reg b, c;
initial begin
    b = 1'b0;
    c = 1'b0;
    #25;
    #5 c = 1'b1;
    #5 c = 1'b0;
    #5 c = 1'b1;
    #5 c = 1'b0;
end

assign a = b;
assign #20 a  = c; //因为连续赋值有延迟，而25ns后每次c改变的脉冲都小于20ns，所以没有进行赋值，最后的c值为0，因此a的值一直是0

有些运算也可能会产生x信号，下面简单介绍，但需要注意的是，他们大多只是x信号的传播者，而不是x信号的制造者。

算数操作符+、-、*、/、%、**

对于算术运算符，当操作符的操作数中出现了x时，无论原本结果是否可能全部或部分确认，结果全为x值。

a = 3'b001;
b = 3'bx01;    
$display("result is %b",a+b);//结果为xxx

a = 3'bx01;
b = 3'b000;    
$display("result is %b",a*b);//结果为xxx

比较运算符<、<=、>、>=、===、!==、==、!=

对于<、<=、>、>=、==、!=，它们的比较结果是0或1，但是如果操作数中存在x，比较结果为x。

对于===、!==，它们严格比较两个操作数中的x，因此结果只能为0或1。。

b = 3'b111;
c = 3'b0x1;    
$display("result is %b",b<c);//结果为x

b = 3'b0x1;
c = 3'b0x1;    
$display("result is %b",b===c);//结果为1

逻辑操作符&&、||、!

逻辑运算符的运算结果为0或1，但是如果操作数中存在x，结果为x。

b = 3'b0x1;
c = 3'b001;    
$display("result is %b",b&&c);//结果为x


c = 3'b0x1;    
$display("result is %b",!c);//结果为x

位运算操作符&、|、^、~^、~

位运算符按位对操作数进行操作，注意对于这些运算符，某位的x不会影响其他非x位的结果。且x与1为x，x与0为0，x或1为1，x或0为x。对于异或、同或和取反运算，x位的结果是x。

b = 3'b0x1;
c = 3'bx11;    
$display("result is %b",b&c);//结果为0x1

b = 3'b0x1;
c = 3'bx11;    
$display("result is %b",b^c);//结果为xx0

规约运算符&、|、^、~&、~&、~^

规约运算符的运算结果为0或1，对于&，如果操作数中存在0，结果为0（不管是否含有x），对于|，如果操作数中存在1，结果为1（不管是否含有x）。其他情况下，如果操作数中有x，结果为x。

b = 3'bx10;    
$display("result is %b",|b);//结果为1

b = 3'bx10;    
$display("result is %b",&b);//结果为0

b = 3'bx10;    
$display("result is %b",^b);//结果为x

移位操作符<<、>>、<<<、>>>

<<、>>为逻辑移位，即补0移位。而<<<、>>>为算数移位，对于有符号的操作数，算数右移>>>时会在左边补符号位（最高位），其他情况下，算数移位和逻辑移位效果一样。

当移位操作符的右操作数中有x时，结果为x。

b = 3'b1x1;   
    $display("result is %b",b>>1'bx);//结果为xxx

b = 3'b1x1;   
    $display("result is %b",b<<1);//结果为x10

signed reg b;
b = 3'bx01;   
    $display("result is %b",b>>>1);//结果为xx0

条件运算符?:

当条件中因为有x无法确定是否为0时，结果会含有x，但不一定全是x。对于这一点，感兴趣的可以看往期文章，有关于表达式位宽和符号拓展的讨论。

b = 3'b0x;   
$display("result is %b",b?2'sb1:2'sb0);//结果为xx

b = 3'b1x;   
$display("result is %b",b?1'sb1:2'sb0);//结果为11(符号拓展)

b = 3'b0x;   
$display("result is %b",b?2'b1:2'b0);//结果为0x(补零拓展)

连接运算符{}

对于连接运算符，某一位的x不会影响其他位。

$display("result is %b",{1'bx,3'b111});//结果为x111

向量的位选、域选

当位选超出界限时，会返回x。当域选超出界限时，超出的部分会用x填充。当数组索引超出界限时，结果全为x。

b = 3'b111;   
$display("result is %b",b[3]);//结果为x

b = 3'b111;   
$display("result is %b",b[4:2]);//结果为xx1

reg [2:0] c [1:0]
c[0] = 3'b000;
c[1] = 3'b111;
$display("result is %b",c[2]]);//结果为xxx