关于Verilog 中的for语句的探讨

  在C语言中，经常用到for循环语句，但在硬件描述语言中for语句的使用较C语言等软件描述语言有较大的区别。

     在Verilog中除了在Testbench（仿真测试激励）中使用for循环语句外，在Testbench中for语句在生成激励信号等方面使用较普遍，但在RTL级编码中却很少使用for循环语句。主要原因就是for循环会被综合器展开为所有变量情况的执行语句，每个变量独立占用寄存器资源，每条执行语句并不能有效地复用硬件逻辑资源，造成巨大的资源浪费。简单的说就是：for语句循环几次，就是将相同的电路复制几次，因此循环次数越多，占用面积越大，综合就越慢。

     在RTL硬件描述中，遇到类似的算法，推荐的方法是先搞清楚设计的时序要求，做一个reg型计数器。在每个时钟沿累加，并在每个时钟沿判断计数器情况，做相应的处理，能复用的处理模块尽量复用，即使所有的操作不能复用，也采用case语句展开处理。

对于下面的for循环语句：  

for(i=0;i<16;i++)
  DoSomething();

可以采用如下代码实现： 

reg [3:0] counter;
always @(posedge clk)
  if(syn_rst)
    counter<=4'b0;
  else
    counter<=counter+1;
always @(posedge clk)
  begin
    case(counter)
        4'b0000:
        4'b0001:
        ......
    default:
    endcase
  end

     另外，有几个语法的细节需要注意一下。for(i=0;i<16;i=i+1)中的i既可以是reg型的变量也可以是integer类型的变量，但是当i是reg型的变量时，需要注意因为判断语句i<16的缘故，i应定义为reg[4:0] i而不是reg[3:0] i 。由于verilog中没有自增运算符，文中提到的for语句不能写成for(i=0;i<16; i++)的形式。

 下面简单的列举几个用for实现的程序代码：
 示例一：

 仿真结果如下：

仿真后的结果，由于采用了非阻塞赋值语句，所以每次在always借宿后才把值付给左边的寄存器。

不过在使用了阻塞赋值语句后，得到了目的，但是由于for语句的综合效率不高，且在时序逻辑中一般采用非阻塞赋值，因此最好不能这样写   ----转自特权同学《深入浅出玩转FPGA》

 

示例二：for用在纯组合逻辑中

举例：4位左移器（将低4位输入的数移到高4位）

//Leftshift for 4 bits
module For_Leftshift(
input wire [3:0]inp,
input wire L_EN,
output reg [7:0]result
);
 
integer i;
always@(inp or L_EN)
begin
 result[7:4] = 0;
 result[3:0] = inp;
 if(L_EN == 1)
 begin
  for(i=4;i<=7;i=i+1)
  begin
   result[i] = result[i-4];
  end
  result[3:0] = 0;
 end
end
 
endmodule

综合结果（RTL视图，实际是一个4位选择器）

 

示例三：for不仅可以用在组合逻辑中，而且还可以用在时序逻辑中，用于在1个周期类完成整个for循环。

举例：在一个周期类完成对输入总线中高电平位的计数，则利用for循环实现加法器

module For_Counter(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire [12:0] data,
output wire [3:0] numout
);
integer i;
reg[3:0] num;
 
always @(posedge clk)
 begin
 if(!rst_n)
  num = 0;
 else
  begin
  for(i=0;i<13;i=i+1)
   if(data[i]) num = num + 1;
  end
 end
 
assign numout = num;
 
endmodule

综合结果（RTL视图，加法器+触发器）

 

 

综上，可以看出for循环是可以综合的，而且效率很高。但所消耗的逻辑资源较大。在对速度（时钟周期数）要求不是很高的情况下，可以多用几个时钟周期完成任务，而没有必要用for循环来做。