如何在Verilog的组合模块中为输出分配“不关心”值

Question

想象一下，我们想描述一个满足以下真值表的组合电路：

a b | s0 s1 s2 s3
-----------------
0 0 |  1  d  d  d
0 1 |  0  1  d  d
1 0 |  0  0  1  d
1 1 |  0  0  0  1

（其中d代表＆＃34;不关心＆＃34;价值，也就是说，我们不关心此输出的值是0还是1）

如果我们通过传统设计，我们可以利用这些＆＃34;不关心＆＃34;并为它们分配最方便的值，因此得到的方程（因此，电路）是最简单的。例如，我们可以将之前的真值表改为这一个：

a b | s0 s1 s2 s3
-----------------
0 0 |  1  1  1  1
0 1 |  0  1  0  1
1 0 |  0  0  1  1
1 1 |  0  0  0  1

最终的方程是（使用Verilog表示法）：

s0 = ~a & ~b;
s1 = ~a;
s2 = ~b;
s3 = 1;

（记得当你必须在K-map中为输出选择值时，你可以将尽可能多的单元格分组）

但如果我选择使用Verilog进行设计呢？我不能这样做：

module encoder (
  input wire a,
  input wire b,
  output reg [3:0] s
  );

  always @* begin
    case ({a,b})
      2'b00  : s = 4'b1ddd;
      2'b01  : s = 4'b01dd;
      2'b10  : s = 4'b001d;
      2'b11  : s = 4'b0001;
      default: s = 4'bdddd; 
    endcase
  end
endmodule

我在How to assign default values to outputs in a combinational always block...被告知我不能将x用作输出，仅作为输入。如果我使用z，由于需要三态缓冲区，所得到的电路在复杂性和使用的资源方面更差。

所以我不得不在设计时选择我想要输出的值（1或0），这些值不必产生最优化的电路：

module encoder (
  input wire a,
  input wire b,
  output reg [3:0] s
  );

  always @* begin
    case ({a,b})
      2'b00  : s = 4'b1000;
      2'b01  : s = 4'b0100;
      2'b10  : s = 4'b0010;
      2'b11  : s = 4'b0001;
      default: s = 4'b0000; 
    endcase
  end
endmodule

导致这些等式（暂时忽略default子句）：

s0 = ~a & ~b;
s1 = ~a & b;
s2 = a & ~b;
s3 = a & b;

或者这个实现（取自EdaPlayGround的YOSIS 0.3.0的输出）：

对于给定目标而言，这可能是也可能不是最佳解决方案，但这是我们允许合成器根据我们想要的输出推断。

使用针对Spartan 3E-100k FPGA的XST合成器，上述模块使用 2个切片和4个LUT 。

我认为Verilog（或任何其他HDL）应该让设计者不必做出这样的选择，因此如果设计师允许它为给定输出选择最方便的值，那么合成器可以应用任何可用的优化。一组给定的输入。如果是这种情况，那么之前的设计可能已经过优化，看起来像这样：

针对与上述相同的FPGA，它使用 2个切片和3个LUT 。

对于这个例子，我已经能够手动进行优化，但考虑一个带有十几个输出到数据路径模块的控制器模块。可能存在来自控制器的输出信号，其对于控制器的给定状态可能具有不关心的值。

例如：控制器从寄存器A或寄存器B向select输出信号，而另一个信号用于启用寄存器C的load，因此寄存器C可以加载A或B，或者保持现有价值。

如果load为0，我真的不关心select的值，所以每次在控制器描述中我输出load = 0，我应该能够输出a＆＃34;不要照顾＆＃34;到select。

所以我的问题是：

• 有没有办法写一个Verilog（不是SystemVerilog）描述，所以我可以给予＆＃34;不关心价值观＆＃34;来自组合街区的产出？

• 如果没有，这是语言的限制，还是很大的问题，你应该让你的设计如此“关心”。价值不需要＆＃34;？

---

附录

令我惊讶的是，XST将`x`识别为有效输出。它可以合成并且似乎按照我预期的方式运行，导致用2个切片和3个LUT 实现相同的电路。另一方面，YOSIS似乎忽略它并产生与非优化设计相同的输出。

整顿：我用另一种设计测试了XST：产生这个真值表的电路：

a b | s0 s1 s2 s3
-----------------
0 0 |  0  d  d  d
0 1 |  1  0  d  d
1 0 |  1  1  0  d
1 1 |  1  1  1  0

相应的Verilog模块，无需关心，可以用多种方式编写，例如：

module encoder (
  input wire a,
  input wire b,
  output reg [3:0] s
  );

  always @* begin
    case ({a,b})
      2'b00  : s = 4'b0111;
      2'b01  : s = 4'b1011;
      2'b10  : s = 4'b1101;
      2'b11  : s = 4'b1110;
      default: s = 4'b1111; 
    endcase
  end
endmodule

在最小化方面产生最差结果（2片，Spartan 3E FPGA中有4个LUT）

通过从这个真值表开始，可以获得手工优化版本：

a b | s0 s1 s2 s3
-----------------
0 0 |  0  0  0  0
0 1 |  1  0  1  0
1 0 |  1  1  0  0
1 1 |  1  1  1  0

这里很容易观察到，在没有单个逻辑门的情况下，可以获得4个输出中的3个。因此，XST报告1个切片，1个LUT（计算s0所需的唯一一个）

module encoder (
  input wire a,
  input wire b,
  output reg [3:0] s
  );

  always @* begin
    case ({a,b})
      2'b00  : s = 4'b0000;
      2'b01  : s = 4'b1010;
      2'b10  : s = 4'b1100;
      2'b11  : s = 4'b1110;
      default: s = 4'b1110; // yes, same output as above
    endcase
  end
endmodule

如果使用x作为＆＃34;不关心的肮脏伎俩＆＃34;：

module encoder (
  input wire a,
  input wire b,
  output reg [3:0] s
  );

  always @* begin
    case ({a,b})
      2'b00  : s = 4'b0xxx;
      2'b01  : s = 4'b10xx;
      2'b10  : s = 4'b110x;
      2'b11  : s = 4'b1110;
      default: s = 4'bxxxx; 
    endcase
  end
endmodule

设计综合，但结果并不是最小的。 XST报告1个切片，2个LUT。

论文中@Tim链接的评论非常明确：避免在设计中使用x。但根据这个例子，该语言不允许我们帮助合成器最小化电路。

保存一个或两个LUT可能不是很多，但如果节省的费用允许此模块保持在一个切片内，P＆amp; R将把它放在任何需要的地方的工作量会减少。

Answer 1

当我使用Quartus II ver 15.0时，请不要关心＆＃34;不要关心＆＃34;输出正常，生成区域效率电路。

例如，如果我合成了这段代码，那就是：

module test1 (
input wire a,
input wire b,
output reg [3:0] s
);

always @* begin
  case ({a,b})
    2'b00  : s = 4'b1000;
    2'b01  : s = 4'b0100;
    2'b10  : s = 4'b0010;
    2'b11  : s = 4'b0001;
    default: s = 4'b0000; 
  endcase
end
endmodule

Quartus生成了一个使用 5个逻辑元素的电路。

然而，如果我使用＆＃34;不关心＆＃34;上面代码中的赋值：

module test1 (
input wire a,
input wire b,
output reg [3:0] s
);

always @* begin
  case ({a,b})
    2'b00  : s = 4'b1xxx;
    2'b01  : s = 4'b01xx;
    2'b10  : s = 4'b001x;
    2'b11  : s = 4'b0001;
    default: s = 4'b0000; 
  endcase
end
endmodule

生成仅使用 2个逻辑元素的电路。有趣的是，尽管总逻辑元件使用较少，但生成的电路似乎更复杂。

我想知道生成的电路是否正确。所以我运行了Quartus的模拟器，其中使用的是“不在乎”的电路＆＃34;。结果是我们想要的最简单的电路。

Answer 2

我认为向输出提供x可以解决问题 - ＆＃34;未知＆＃34;应该做你想要的。我相信你可以直接将它作为输出连接，但是如果这是禁止的，你可以通过将1和0连接到输出来生成它。