數(shù)字硬件建模SystemVerilog-聯(lián)合體（union）

聯(lián)合體（union）

聯(lián)合體是一個(gè)可以有多個(gè)數(shù)據(jù)類型表示的單個(gè)存儲(chǔ)元素，聯(lián)合體的聲明類似結(jié)構(gòu)體，但推斷出的硬件非常不同。結(jié)構(gòu)體是幾個(gè)變量的集合。union是單個(gè)變量，可以在不同的時(shí)間使用不同的數(shù)據(jù)類型。union可以存儲(chǔ)的變量類型列在大括號(hào)（{}）之間，每個(gè)變量類型都有一個(gè)名稱:

在本例中，變量是data。data變量有兩種可能的數(shù)據(jù)類型：名為s的有符號(hào)整數(shù)類型，或名為u的無(wú)符號(hào)整數(shù)值。

在RTL建模中，聯(lián)合體的一個(gè)典型應(yīng)用是，一個(gè)值可以表示為幾種不同的類型，但在任何特定的時(shí)鐘周期中只能表示為一種類型。例如，數(shù)據(jù)總線有時(shí)可能使用用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI，User NetworkInterface）電信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，而在其他時(shí)間，同一數(shù)據(jù)總線可能使用網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)絡(luò)接口（NNI，Network to Network Interface）電信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包。SystemVerilog聯(lián)合體可以代表同一總線的這種雙重用途。聯(lián)合體的另一個(gè)用途是表示共享硬件資源，例如可以在不同時(shí)間存儲(chǔ)不同類型數(shù)據(jù)的硬件寄存器。

自定義和匿名聯(lián)合體

同結(jié)構(gòu)體一樣， 聯(lián)合體可以使用 typedef 來(lái)定義， 按這種方式定義的是自定義聯(lián)合體。如果沒(méi)有使用 typedef，就是匿名聯(lián)合體.

匿名聯(lián)合體和自定義聯(lián)合體都是可綜合的，但自定義聯(lián)合體在RTL建模方面有優(yōu)勢(shì)。自定義聯(lián)合體可以是：

用于聲明多個(gè)變量，如上例中的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。

用作模塊端口類型。

在一個(gè)包中定義，然后在多個(gè)模塊中使用。

分配和讀取聯(lián)合體變量

引用聯(lián)合體的數(shù)據(jù)類型時(shí)，使用聯(lián)合體的名稱，后跟表示數(shù)據(jù)類型的名稱，并用句點(diǎn)（.）分隔（同結(jié)構(gòu)體一樣）。

在本例中，變量數(shù)據(jù)有兩種可能的數(shù)據(jù)類型，每個(gè)表示中都存儲(chǔ)了-5。data.s數(shù)據(jù)類型將打印為-5，一個(gè)有符號(hào)整數(shù)值。data.u數(shù)據(jù)類型將打印為4294967291，一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)值。

非壓縮聯(lián)合體和標(biāo)記的聯(lián)合體

最佳做法準(zhǔn)則4-4

在RTL建模中僅使用壓縮聯(lián)合體。

SystemVerilog有三種類型的聯(lián)合體：非壓縮聯(lián)合體、壓縮聯(lián)合體和標(biāo)簽聯(lián)合體，大多數(shù)綜合編譯器只支持壓縮聯(lián)合體。

大多數(shù)綜合編譯器不支持非壓縮和標(biāo)簽聯(lián)合體。這些聯(lián)合體類型可以代表任何數(shù)據(jù)類型的存儲(chǔ)，包括不可綜合的數(shù)據(jù)類型。非壓縮的聯(lián)合體體和標(biāo)簽聯(lián)合體體可用于建模測(cè)試臺(tái)和高級(jí)抽象模型，但不應(yīng)用于RTL建模。

通過(guò)在union關(guān)鍵字后添加關(guān)鍵字Packed來(lái)定義壓縮聯(lián)合體:

壓縮聯(lián)合體是可綜合的。壓縮聯(lián)合體對(duì)聯(lián)合體可以表示的數(shù)據(jù)類型有很多限制。這些限制與硬件行為密切相關(guān)。在壓縮聯(lián)合體中，它只能表示向量類型，并且聯(lián)合體可以存儲(chǔ)的每個(gè)數(shù)據(jù)類型的向量寬度必須相同。這確保了無(wú)論存儲(chǔ)值的數(shù)據(jù)類型如何，壓縮聯(lián)合體都將以相同的位數(shù)表示其存儲(chǔ)。

壓縮聯(lián)合體允許使用一種格式寫入數(shù)據(jù)，并使用另一種格式讀回?cái)?shù)據(jù)。設(shè)計(jì)模型不需要進(jìn)行任何特殊處理來(lái)跟蹤數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，這是因?yàn)閴嚎s聯(lián)合體中的數(shù)據(jù)總是使用相同的位數(shù)存儲(chǔ)。下面的示例定義了一個(gè)壓縮聯(lián)合體，其中一個(gè)值可以用兩種方式表示：數(shù)據(jù)包（使用壓縮結(jié)構(gòu)體）或連續(xù)字節(jié)數(shù)組，

圖4-3說(shuō)明了dreg的兩種數(shù)據(jù)類型是如何表示的。

圖4-3：具有相同存儲(chǔ)的兩種表示形式的壓縮聯(lián)合體

因?yàn)槁?lián)合體是壓縮的，所以無(wú)論使用哪種聯(lián)合體表示，信息都將使用相同的位對(duì)齊來(lái)存儲(chǔ)。這意味著可以使用bytes格式（可能來(lái)自字節(jié)的串行輸入流）加載一個(gè)值，然后使用data_packet格式讀取相同的值，

通過(guò)端口將壓縮聯(lián)合體傳遞給任務(wù)和函數(shù)

自定義聯(lián)合體（使用typedef定義的聯(lián)合體）可以用作模塊端口和任務(wù)/函數(shù)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型。非壓縮的聯(lián)合體要求將相同的聯(lián)合體類型用于端口的外部連接，或用于傳遞給任務(wù)或函數(shù)參數(shù)的外部信號(hào)。壓縮聯(lián)合體只能表示壓縮數(shù)據(jù)類型，這允許任何向量類型用于外部連接或外部值。

示例4-6顯示了一個(gè)包含結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體定義的包。示例4-7在一個(gè)簡(jiǎn)單算術(shù)邏輯單元（ALU）模型中使用了這個(gè)包，ALU可以對(duì)有符號(hào)或無(wú)符號(hào)的值進(jìn)行操作，但不能同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行操作，一個(gè)標(biāo)志用于指示操作數(shù)據(jù)是有符號(hào)的還是無(wú)符號(hào)的。ALU操作碼、兩個(gè)操作數(shù)和一個(gè)有符號(hào)標(biāo)志作為單個(gè)指令字傳遞到ALU中，用結(jié)構(gòu)體表示。ALU輸出是單個(gè)值，可以表示有符號(hào)或無(wú)符號(hào)值，建模為這兩種類型的并集。這允許相同的輸出端口用于不同的數(shù)據(jù)類型:

示例4-6：包含結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體定義的包

//
//Packagewithunionandstructuredefinitions
//
//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
`define_4bit//use4-bitdatafortestingsynthesis
//`define_32bit//use32-bitdatawordsize
//`define_64bit//use64-bitdatawordsize
packagedefinitions_pkg;
`ifdef_4bit
typedeflogic[3:0]uword_t;
typedeflogicsigned[3:0]sword_t;
`elsif_64bit
typedeflogic[63:0]uword_t;
typedeflogicsigned[63:0]sword_t;
`else//defaultis32-bitvectors
typedeflogic[31:0]uword_t;
typedeflogicsigned[31:0]sword_t;
`endif

typedefenumlogic[2:0]{ADD,SUB,MULT,DIV}op_t;
typedefenumlogic{UNSIGNED,SIGNED}operand_type_t;

//Packedunionrepresentsavariablethatcanstore
//differenttypes
typedefunionpacked{
uword_tu_data;
sword_ts_data;
}data_t;

//Packedstructurerepresentsacollectionofvariables
//thatcanreferencedandpassedthroughportsasagroup
typedefstructpacked{
op_topcode;
operand_type_top_type;
data_top_a;
data_top_b;
}instruction_t;
endpackage:definitions_pkg
//`end_keywords

//
//Modulewithstructureinputportandunionoutputport
//
//`begin_keywords"1800-2012"http://useSystemVerilog-2012keywords
modulealu
importdefinitions_pkg::*;//wildcardimportthepackage
(inputlogicclk,rstN,
inputinstruction_tiw,//inputisastructure
outputdata_talu_out//outputisaunion
);
timeunit1ns;timeprecision1ns;

always_ff@(posedgeclkornegedgerstN)//asyncreset
if(!rstN)//active-low
alu_out<=?'0;
???else?begin:?alu_operations?
?????if?(iw.op_type?==?SIGNED)?begin:?signed_ops?
???????case?(iw.opcode)
?????????ADD?:?alu_out.s_data?<=?iw.op_a.s_data
?????????????????????????????????+?iw.op_b.s_data;
?????????SUB?:?alu_out.s_data?<=?iw.op_a.s_data
?????????????????????????????????-?iw.op_b.s_data;
?????????MULT:?alu_out.s_data?<=?iw.op_a.s_data
?????????????????????????????????*?iw.op_b.s_data;
?????????DIV?:?alu_out.s_data?<=?iw.op_a.s_data
?????????????????????????????????/?iw.op_b.s_data;
???????endcase?
?????end:?signed_ops?
?????else?begin:?unsigned_ops?
???????case?(iw.opcode)
?????????ADD?:?alu_out.u_data?<=?iw.op_a.u_data
?????????????????????????????????+?iw.op_b.u_data;
?????????SUB?:?alu_out.u_data?<=?iw.op_a.u_data
?????????????????????????????????-?iw.op_b.u_data;
?????????MULT:?alu_out.u_data?<=?iw.op_a.u_data
?????????????????????????????????*?iw.op_b.u_data;
?????????DIV?:?alu_out.u_data?<=?iw.op_a.u_data
?????????????????????????????????/?iw.op_b.u_data;
???????endcase?
?????end:?unsigned_ops?
???end:?alu_operations?
endmodule:?alu
`end_keywords?

圖4-4顯示了綜合該示例的結(jié)果。說(shuō)明了在RTL模型中使用結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體的兩個(gè)重要特征：

結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體可以簡(jiǎn)潔地仿真大量功能。用更少的代碼行仿真更多功能的能力是在原始Verilog中添加結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體等功能的原因之一，

當(dāng)與本節(jié)所述的RTL編碼準(zhǔn)則一起使用時(shí)，聯(lián)合體可以表示多路復(fù)用功能，允許多個(gè)資源（本例中的有符號(hào)和無(wú)符號(hào)加法器、減法器、乘法器和除法器）共享相同的硬件寄存器。圖4-4中的圓圈代表通用算法 操作，梯形符號(hào)代表多路復(fù)用器:

圖4-4：示例4-7的綜合結(jié)果：具有結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體端口的ALU

SystemVerilog-結(jié)構(gòu)體（一）

SystemVerilog-結(jié)構(gòu)體（二）

原文標(biāo)題：SystemVerilog-聯(lián)合體（union）

文章出處：【微信公眾號(hào)：OpenFPGA】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。