~ cd комбинационная логика. операторы. assign

1. Что такое комбинационная логика?

Комбинационная логика — это схема, у которой выход зависит ТОЛЬКО от текущего состояния входов. Никакой памяти, никаких тактовых сигналов.

Пример из жизни: обычный выключатель света. Положение выключателя (вход) сразу определяет, горит лампа (выход) или нет.

В Verilog комбинационная логика описывается двумя способами:

• Непрерывные присвоения (assign)
• always блоками ос специальным условием always @(*) (но о них позже)

Главное правило: комбинационная схема не хранит состояние. Изменился вход — изменился выход.

2. Ключевое слово assign

assign — это главный инструмент для комбинационной логики. Оно создает непрерывное соединение: как только меняется сигнал справа, сигнал слева пересчитывается мгновенно.

assign имя_сигнала = выражение;

assign o_y = i_a & i_b; // выход o_y всегда равен i_a AND i_b

Важно: слева от assign может стоять только wire, но никогда reg. Это логично: провод не хранит, а непрерывно передает.

3. Битовые операторы (побитовые)

Эти операторы работают с каждым битом вектора независимо. Самые популярные:

• & — побитовое И (AND)
• | — побитовое ИЛИ (OR)
• ^ — побитовое исключающее ИЛИ (XOR)
• ~ — побитовое НЕ (NOT)

assign o_result = i_a & i_b; // поразрядное И
assign o_xor = i_a ^ i_b; // поразрядное XOR

Если i_a = 4'b1100, i_b = 4'b1010, то:

• i_a & i_b = 4’b1000
• i_a | i_b = 4’b1110
• i_a ^ i_b = 4’b0110

4. Алгебраические операторы

Обычная арифметика, но с подвохом — результат зависит от разрядности.

• + — сложение
• - — вычитание
• * — умножение (занимает много логики)
• / — деление (для синтеза используется редко, очень дорого)
• % — остаток от деления

assign o_sum = i_a + i_b;
assign o_diff = i_a - i_b;

Важно: при сложении может возникнуть переполнение. Если складываешь два 4-битных числа, результат может быть 5-битным. Думай о разрядности!

5. Операторы сдвига

Позволяют двигать биты влево или вправо. Используются для умножения/деления на степени двойки и для работы с последовательными интерфейсами.

• << — логический сдвиг влево (освободившиеся биты заполняются нулями)
• >> — логический сдвиг вправо (освободившиеся биты заполняются нулями)
• <<< — арифметический сдвиг влево (то же, что логический)
• >>> — арифметический сдвиг вправо (сохраняет знак)

Пример:
assign o_shl = i_a << 2; // умножили на 4
assign o_shr = i_a >> 1; // поделили на 2 (целочисленно)

Интересно: i_a << 2 эквивалентно умножению на 4, но в железе реализуется просто переподключением проводов — никакой логики!

6. Условный оператор (тернарный)

Работает как if-else в одну строку. Очень удобно для мультиплексоров.

assign результат = (условие) ? значение_если_истина : значение_если_ложь;

assign o_mux = (i_sel) ? i_a : i_b; // если i_sel=1, выход = i_a, иначе i_b

assign o_out = (i_sel == 2'b00) ? i_a : (i_sel == 2'b01) ? i_b : (i_sel == 2'b10) ? i_c : i_d;

В железе это превращается в дерево мультиплексоров.

7. Пример с выбором ответа: Угадай результат

module test;

    wire [3:0] i_a = 4'b1010;
    wire [3:0] i_b = 4'b1100;
    wire [3:0] o_result;

    assign o_result = (i_a & i_b) | (i_a ^ i_b);
endmodule

Чему равно o_result в двоичном виде? Ответ: 4’b1110

4’b1010

4’b1110

4’b0110

4’b0000

8. Создаем простой сумматор

module adder #(
    parameter WIDTH = 4
) (
    input [WIDTH-1:0] i_a, // первое слагаемое
    input [WIDTH-1:0] i_b, // второе слагаемое
    input i_cin, // входной перенос
    output [WIDTH-1:0] o_sum, // сумма
    output o_cout // выходной перенос
);
    assign {o_cout, o_sum} = i_a + i_b + i_cin;
endmodule

Фигурные скобки {} — это конкатенация (склеивание). Мы складываем три числа и результат (который может быть шире) разбиваем на перенос и сумму.

9. Сводим всё вместе

Сегодня мы разобрали:

• assign — основа комбинационной логики
• Битовые операторы (&, |, ^, ~) — для поразрядной обработки
• Алгебраические (+, -, *, /) — арифметика с учетом разрядности
• Сдвиги (<<, >>, <<<, >>>) — быстрая арифметика и сдвиги
• Тернарный оператор — компактный if-else для мультиплексоров

Комбинационная логика — это фундамент. Научишься ей — сможешь собрать что угодно, от сумматора до процессора. Главное помнить: никакой памяти, только текущие входы.