(原創) 如何使用integer型別? (IC Design) (Verilog)

Abstract
在C/C++或任何程式語言，integer是最常用的型別之一，但在Verilog大部分用的都是wire和reg，很少用到integer，該如何正確地使用integer呢?

Introduction
首先，integer和reg與wire最大的差別是，integer本身是個32位元的有號數，含正負。

實務上，若在RTL中，integer建議只出現於for loop中，用來複製電路，讓程式精簡一些，在其他地方使用這種類型的的變數，容易出現與設計者意料之外的情況[1]。

如一個4 bit serial in / serial out的shift register
Verilog / Shift_Register_SISO.v

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 2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
 3 
 4 Filename    : Shift_Register_SISO.v
 5 Compiler    : Quartus II 7.2 SP1
 6 Description : Shift register / serial in serial out
 7 Release     : 05/27/2008 1.0
 8 */
 9 
10 module Shift_Register_SISO (
11   iCLK,
12   iRESET_n,
13   iSI,
14   oSO
15 );
16 
17 input iCLK;
18 input iRESET_n;
19 input iSI;
20 output reg oSO;
21 
22 reg [3:0] reg4;
23 
24 always@(posedge iCLK) begin
25   if (!iRESET_n) 
26     reg4 <= 4'h0;
27   else begin
28     reg4[0] <= iSI;
29     reg4[1] <= reg4[0];
30     reg4[2] <= reg4[1];
31     reg4[3] <= reg4[2];
32     oSO     <= reg4[3];
33   end
34 end
35 
36 endmodule

若使用integer配合for loop後，可將程式精簡成
Verilog / Shift_Register_SISO.v

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 2 (C) OOMusou 2008 http://oomusou.cnblogs.com
 3 
 4 Filename    : Shift_Register_SISO2.v
 5 Compiler    : Quartus II 7.2 SP1
 6 Description : Shift register / serial in serial out
 7 Release     : 05/27/2008 1.0
 8 */
 9 
10 module Shift_Register_SISO2 (
11   iCLK,
12   iRESET_n,
13   iSI,
14   oSO
15 );
16 
17 input iCLK;
18 input iRESET_n;
19 input iSI;
20 output reg oSO;
21 
22 reg [3:0] reg4;
23 
24 always@(posedge iCLK) begin
25   integer i;
26   
27   if (!iRESET_n) 
28     reg4 <= 4'h0;
29   else begin
30     
31     reg4[0] <= iSI;
32     
33     for(i = 0; i < 3; i = i + 1) 
34       reg4[i+1] <= reg4[i];
35       
36     oSO <= reg4[3];
37   end
38 end
39 
40 endmodule

原來的29 ~ 31行

reg4[1] <= reg4[0];
reg4[2] <= reg4[1];
reg4[3] <= reg4[2];

最後精簡成

for(i = 0; i < 3; i = i + 1) 
  reg4[i+1] <= reg4[i];    

這兩個程式將來合成出來的硬體電路完全一樣，只是程式比較精簡些，適合用來複製電路。

另外一個初學者常疏忽的地方，原本想設計一個8位元的計數器，因為使用了integer卻得到一個32位元計數器，除了引起設計錯誤，也耗用了更多的資源。[1]

1 integer counter;
2 
3 always@(posedge clk) begin
4   if (counter < 200)
5     counter <= counter + 1;
6   else
7     counter <= 0;
8 end

應該改成

1 reg[7:0] counter;
2 
3 always@(posedge clk) begin
4   if (counter < 200)
5     counter <= counter + 1;
6   else
7     counter <= 0;
8 end

Conclusion
在RTL中，建議integer只配合for loop使用來複製電路，其他都應該使用wire或reg。

See Also
(原創) wire與reg的差異? (初級) (IC Design) (Verilog)

Reference
[1] 王钿、卓興旺 2007 ，基於Verilog HDL的數字系統應用設計(第二版)，國防工業出版社