变量类型及使用范围深入探讨

Verilog变量声明与基本数据类型等章节中介绍变量的声明，也简单介绍了变量的使用及使用情况，随着学习和理解的逐渐深入，有必要将变量的类型及使用范围作更深入的探讨。

wire型变量声明及使用范围

wire型变量在module内是全局变量，可以在module内任何地方被引用，但对wire型变量的赋值却有不同的要求。

- wire型变量声明，在module的变量声明区域内完成，但不能在initial，always， function，task 等过程或函数内声明。
- wire类型变量使用范围，在module范围内wire型变量在声明后是全局可见的，即一次赋值全局使用。但wire型变量在module范围内只能在声明之后可见，因此使用范围为变量声明到module结束。如果在module内先使用后声明，不同的编译器可能会给出不同的结果，见例1的测试结果。
- wire型变量不能在initial，always，function，task 等过程或函数内对该变量的赋值。
- wire类型变量赋值可以有如下三种形式：
  - 声明时赋初值，
  - 用assign关键字显式赋值，
  - 在模块例化时中赋值，但只能对module的输入部分赋值，
  - 函数返回值或task调用等赋值，
- wire型变量只能赋值一次。
- 端口中的output如果是wire类型，则在整个module内是全局的。

例1：

module test_wire
(
    input  [1:0] a,
    input  [1:0] b,
    output [2:0] c
);

assign c = tmp0 + tmp1; //tmp0,tmp1未声明先使用, 建议先声明后使用

wire [1:0] tmp0;
wire [1:0] tmp1;

assign tmp0 = a;
assign tmp1 = b;

endmodule

例1中赋值语句“assign c = tmp0 + tmp1;”在变量声明前就已经使用，在Quartus综合时没有发现任何相关的warning和error；而且在FII-PRA006上进行硬件验证，结果也正常，的确实现了两位全加器的结果。实验时管脚锁定如下：

表1

Verilog name	a[0]	a[1]	b[0]	b[1]	c[0]	c[1]	c[2]
pra006 name	sw0	sw1	sw2	sw3	LED5	LED6	LED7
pin number	80	83	86	87	75	76	77

硬件实验结果如图1，

图1

图1，实现了2 + 2 = 4的结果，经过测试，各个输入组合，完全符合2位全加器的结果。

但在Modelsim编译仿真的过程中，却发现有如下错误，如图2

图2

Vivado18.2下编译也没有问题，仅给出一个警告，指示在11行的语句中（assign c = tmp0 + tmp1;）tmp0，tmp1在没有声明前使用。

“identifier tmp0 is used before its declaration [D:/FPGA_DDR3_IO/test_auto_func/test_auto_func.srcs/sim_1/new/test_wire.v:11]”

但在Vivado下仿真结果是正确的。如图2，

测试程序如下：

timescale 1 ns /1 ps

module tb1;

reg [1:0] a,b;

wire [2:0] c;

initial begin
    a = 0;
    b = 0;
    #10

    a = 1;
    b = 0;
    #10

    a = 2;
    b = 0;
    #10;

    a = 3;
    b = 0;
    #10;

    a = 0;
    b = 1;
    #10;

    a = 1;
    b = 1;
    #10;

    a = 2;
    b = 1;
    #10;

    a = 3;
    b = 1;
    #10;

    a = 0;
    b = 2;
    #10;

    a = 1;
    b = 2;
    #10;

    a = 2;
    b = 2;
    #10;

    a = 3;
    b = 2;
    #10;

    a = 0;
    b = 3;
    #10;

    a = 1;
    b = 3;
    #10;

    a = 2;
    b = 3;
    #10;

    a = 3;
    b = 3;
    #10;

end

test_wire test_wire_inst
(
    .a (a),
    .b (b),
    .c (c)
);

endmodule

图2

虽然在Quartus 和Vivado 18.2下综合都没有问题，但Modelsim下却报语法错误，因此为了得到不同平台下输出结果一致，强烈建议在Verilog编程开发中，变量按照先声明后使用的原则。

2. reg型变量的声明及使用范围

相比较wire类型变量，reg类型变量使用要复杂了许多。reg型变量跟据使用范围可以分为全局变量和局部变量，根据变量的可见性又可以分为静态变量和动态变量。由于整形(integer)，字符串，存储类型等最终都可以归结为reg类型，因此也遵循reg类型的共同特性。下面就reg类型的新特性加以介绍并举例说明。

reg型变量的声明可以在modules的声明区域进行，也是遵循与wire同样的使用范围，即从声明的位置开始到 module结束。
reg型变量可以在过程或函数内声明，如在always，function，task，initial等内部定义，在过程或函数内定义的变量其可见范围限定在过程或函数内，而且也是从声明的位置开始到过程结束有效。
reg型变量也可以在任何含有begin…end的范围内定义及使用。其可见范围只在begin…end的范围内可见。
reg型变量的可见性：

reg类型变量按照可见性又分为static和automatic两种。在变量声明时如果没有指明automatic类型，都默认为static类型。

automatic类型具有时效性，例如在过程或函数中声明的automatic变量在每次进入时重新初始化赋值。

static变量只初始化一次，在退出过程或函数时内部变量不可见，但在重新进入过程或函数时该变量又重新可见，而且保留上次退出时的值，因此static变量初始化只有一次，即第一次进入时对该变量初始化，之后再进入该过程将恢复上次退出时的值。

在begin…end块内部声明变量时要求begin关键字之后声明块的名称，如例2的实体程序中所示的 begin:fibo。这个要求在Quartus，Vivado 2018.2都很宽松，但在Modelsim的环境下是严格要求的。
在begin…end块内变量在声明时初始化：不同的编译器对变量声明的类型有不同要求，在Modelsim环境下只有动态变量才能在声明时初始化，而Vivado，Quartus在编译时没有严格要求。
reg使用范围及静态（static)变量可见性测试。
实体程序如下：

module task_fibonacci
(
    input rst,
    input i,
    input      [ 7: 0 ]  in_data,

    output reg [ 15: 0 ] out_data,
    output reg [ 15: 0 ] last_data0, last_data1
);

task fibo ( input rst, input integer i, input[ 7: 0 ] in_data, output [ 15: 0 ] out_data );
begin:fibo_body
    reg [ 15: 0 ] last_data0, last_data1;

    if ( rst )
    begin
        last_data0 = 0;
        last_data1 = 0;
    end

    if ( in_data < 2 )
        out_data = in_data;
    else
        out_data = last_data0 + last_data1;

    last_data1 = last_data0;
    last_data0 = out_data;
end

endtask

always@( i, in_data, rst )
begin
    if ( rst )
    begin
        last_data0 = 0;
        last_data1 = 0;
    end

    fibo( rst, i, in_data, out_data );
    last_data0 = last_data0 + 1;
    last_data1 = last_data0;
end

endmodule

仿真程序

`timescale 1ns /1ps

module tb;

reg [ 7: 0 ] in_data;

reg rst;

integer i;

wire [ 15: 0 ] fibo;

wire [ 15: 0 ] last_data0, last_data1;

initial
begin

    rst = 1'b1;
    i = 0;
    in_data = 0;
    #10

    rst = 0;
    in_data = 1;

    while ( i < 256 )
    begin
        #10
        $display ( “sequence = % 4d fibonacci = % d”, i + 1, fibo );
        i = i + 1;
        in_data = i;
    end
    #10;
end

task_fibonacci fibonacci_inst
(
    .rst        ( rst ),
    .i          ( i ),

    .in_data    ( in_data ),
    .out_data   ( fibo ),

    .last_data0 ( last_data0 ),
    .last_data1 ( last_data1 )
);

endmodule

2.仿真结果如图3

图3

从图3的仿真结果可以看出，实体程序中分别在module内声明的reg型变量与在task内声明的变量互不影响。可见在task内声明的变量作用范围，仅限于task内部使用。而且在没有automatic修饰符的情况下默认为静态（static）变量。本例中 last_data0，last_data1最终以锁存器的方式保存变量值。

动态（automatic）变量测试

修改例2中的实体程序如下：

module task_fibonacci
(
    input rst,
    input i,

    input [ 7: 0 ] in_data,

    output reg [ 15: 0 ] out_data,
    output reg [ 15: 0 ] last_data0, last_data1
);

task fibo ( input rst, input integer i, input[ 7: 0 ] in_data, output [ 15: 0 ] out_data );
begin :fibo
    automatic reg [ 15: 0 ] last_data0, last_data1;

    if ( rst )
    begin
        last_data0 = 0;
        last_data1 = 0;
    end

    if ( in_data < 2 )
        out_data = in_data;
    else
        out_data = last_data0 + last_data1;

    last_data1 = last_data0;
    last_data0 = out_data;
end

endtask

always@( i, in_data, rst, last_data0, last_data1 )
begin
    if ( rst )
    begin
        last_data0 = 0;
        last_data1 = 0;
    end
    else
    begin
        fibo( rst, i, in_data, out_data );
        last_data0 = last_data0 + 1;
        last_data1 = last_data0;
    end
end

endmodule

图3

从图3中显示的结果可以看出，由于task内的自动（automatic）变量没有初始化，因此last_data0，last_data1将X值传递给out_data，而外部的last_data0，last_data1值没有受到影响。修改上面的程序如例4。

例4：

module task_fibonacci
(
    input rst,
    input i,

    input [ 7: 0 ] in_data,

    output reg [ 15: 0 ] out_data,
    output reg [ 15: 0 ] last_data0, last_data1
);

task fibo ( input rst, input integer i, input[ 7: 0 ] in_data, output [ 15: 0 ] out_data );
begin :fibo
    automatic reg [ 15: 0 ] last_data0 = 0, last_data1 = 0;

    if ( rst )
    begin
        last_data0 = 0;
        last_data1 = 0;
    end

    if ( in_data < 2 )
        out_data = in_data;
    else
        out_data = last_data0 + last_data1;

    last_data1 = last_data0;
    last_data0 = out_data;
end

endtask

always@( i, in_data, rst, last_data0, last_data1 )
begin
    if ( rst )
    begin
        last_data0 = 0;
        last_data1 = 0;
    end
    else
    begin
        fibo( rst, i, in_data, out_data );
        last_data0 = last_data0 + 1;
        last_data1 = last_data0;
    end
end

endmodule

仿真结果如图4

图4

从图4可以看出，除了in_data为1时，in_data直接赋值给out_data外，其它时刻在调用task时，由于”out_data = last_data0 + last_data1;” , out_data返回结果都为0；可见使用自动变量，每次调用task都会对自动变量赋初值。

例5：

module tb2;

reg [ 6: 0 ] a;
reg [ 15: 0 ] acc;

initial
begin
    a = 0;
    #10 a = 10;
    #10 a = 20;
    #10 a = 30;
    #10 a = 40;
    #10 a = 50;
    #10 a = 60;
    #10 a = 70;
    #10 a = 80;
    #10 a = 90;
    #10 a = 100;
    #10;
end

always@( * )
begin :acc_sum
    reg [ 6: 0 ] tmp; //modelsim不能在声明时赋初值

    tmp = 0;
    acc = 0;

    while ( tmp <= a )
    begin
        acc = acc + tmp;
        tmp = tmp + 1'b1;
    end
end

endmodule

图5

例5程序中在always内定义了tmp变量，初始化并参与运算可以有较好的封装性，由于该变量在always快外不可见，可以自由使用不会与always快外的同名变量冲突或赋值的相互覆盖。

3.reg变量声明和使用总结如下（以modelsim编译器为准）：

always内声明变量有如下特点：
- always内声明变量只能static类型变量，而不能声明automatic类型变量。
- always块内的begin之后要跟块的名称，如：begin :acc_sum。
- always块内声明的变量只在该always块内可见。
- always块内声明的reg变量不能在声明时赋初值，只能在声明后通过显示赋值

automatic变量的声明及使用范围：
- automatic只能在function或task内声明和使用，不能always，initial过程内使用。
声明时赋初值
- 在module声明时可以赋初值。
- automatic变量在声明时可以赋初值。

对应视频：

变量类型及使用范围深入探讨

wire型变量声明及使用范围

2. reg型变量的声明及使用范围

3.reg变量声明和使用总结如下（以modelsim编译器为准）：

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