# Описание регистров в SystemVerilog

Перед тем, как описывать память, необходимо научиться описывать отдельные регистры. **Регистр** — устройство для записи, хранения и считывания n-разрядных двоичных данных и выполнения других операций над ними [1, стр. 32]. В современной электронике, регистр чаще всего строится на D-триггерах. В лабораторной работе по АЛУ уже вскользь упоминалось, что как для описания проводов, так и для описания регистров, используется тип `logic`.

```Verilog
logic reg_name;
```

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_01.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_01.drawio.svg)

У регистра может быть несколько входов и один выход. Основных входов, без которых не может существовать регистр два: вход данных и вход тактирующего синхроимпульса. На рисунке они обозначены как `D` и `clk`. Опциональный вход сигнала сброса (`rst`) позволяет обнулять содержимое регистра вне зависимости от входных данных и может работать как с тактовым синхроимпульсом (синхронный сброс), так и без него (асинхронный сброс).

Помимо прочего у регистра также может быть входной сигнал разрешения записи (`enable`), который определяет будут ли записаны данные с входного сигнала данных в регистр или нет, опциональный вход установки (`set`), позволяющий принудительно выставить значение регистра в единицу.

Выход у регистра один. На рисунке выше он обозначен как `Q`.

Важно понимать, что названия приведенных портов не являются чем-то высеченным на камне, они просто описывают функциональное назначение. В процессе описания работы регистра вы будете оперировать только над именем регистра, и сигналами, которые подводите к нему.

Поскольку все сигналы в цифровой схеме передаются по цепям, удобно представлять, что к выходу регистра всегда неявно подключен провод, с именем, совпадающим с именем регистра, поэтому вы можете использовать имя регистра в дальнейшей цифровой логике:

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_02.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_02.drawio.svg)

Итак, мы добавили регистр на холст схемы, но как соединить его с какой-то логикой? Предположим, у нас есть сигнал тактового синхроимпульса и данные, которые мы хотим записать:

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_03.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_03.drawio.svg)

Данной схеме соответствует код:

```Verilog
module reg_example(
  input  logic clk,
  input  logic data,
  output logic reg_data
);

  logic reg_name;

endmodule
```

Очевидно, мы хотим подключить сигнал `clk` ко входу тактирующего сигнала регистра, вход `data` ко входу данных, а выход регистра к выходу `reg_data`:

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_04.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_04.drawio.svg)

Запись в регистр возможна только по фронту тактирующего синхроимпульса. **Фронт** — это переход сигнала из нуля в единицу (**положительный фронт**), либо из единицы в ноль (**отрицательный фронт**).

Описание регистра, а также указание фронта и тактирующего сигнала происходит в конструкции `always_ff`:

```Verilog
always_ff @(posedge clk)
```

Далее, внутри данной конструкции необходимо указать, что происходит с содержимым регистра. В нашем случае, происходит запись с входного сигнала `data`

```Verilog
always_ff @(posedge clk) begin
  reg_name <= data;
end
```

> [!IMPORTANT]
> Обратите внимание на оператор `<=`. В данном случае, это не знак "меньше либо равно", а оператор **неблокирующего присваивания**. Существует оператор **блокирующего присваивания** (`=`), который может поменять способ построения схемы для такого же выражения справа от оператора. Хоть это и плохая практика в обучении, но пока вам надо просто запомнить: **при описании записи в регистр всегда используйте оператор неблокирующего присваивания `<=`**. Подробнее о рассказано в документе "[О различиях между блокирующими и неблокирующими присваиваниями](./Assignments.md)".

Помимо прочего, нам необходимо связать выход схемы с выходом регистра. Это можно сделать уже известным вам оператором **непрерывного присваивания** `assign`.

Таким образом, итоговый код описания данной схемы примет вид:

```Verilog
module reg_example(
  input  logic clk,
  input  logic data,
  output logic reg_data
);

  logic reg_name;

  always_ff @(posedge clk) begin
    reg_name <= data;
  end

  assign reg_data = reg_name;

endmodule
```

Предположим, мы хотим добавить управление записью в регистр через сигналы `enable` и `reset`. Это, например, можно сделать следующим образом:

```Verilog
module reg_example(
  input  logic clk,
  input  logic data,
  input  logic reset,
  input  logic enable,
  output logic reg_data
);

  logic reg_name;

  always_ff @(posedge clk) begin
    if(reset) begin
      reg_name <= 1'b0;
    end
    else if(enable) begin
      reg_name <= data;
    end
  end

  assign reg_data = reg_name;

endmodule
```

Обратите внимание на очередность условий. В первую очередь, мы проверяем условие **сброса**, и только после этого условие **разрешения на запись**.
Если сперва проверить разрешение на запись, а затем в блоке `else` описать логику сброса, то регистр не будет сбрасываться в случае, если `enable` будет равен `1` (запись в регистр будет приоритетней его сброса). Если сброс описать не в блоке `else`, а в отдельном блоке `if`, то может возникнуть неопределенное поведение: нельзя однозначно сказать, что запишется в регистр, если одновременно придут сигналы `reset` и `enable`. Поэтому при наличии сигнала сброса, остальная логика по записи в регистр должна размещаться в блоке `else`.

Кроме того, САПР-ы смотрят на паттерн описания элемента схемы, и когда распознают его, реализуют элемент так как задумывал разработчик. Поэтому при описании регистра всегда сперва описывается сигнал сброса (если он используется) и только затем в блоке `else` описывается вся остальная часть логики записи.

Итоговая схема регистра со сбросом и сигналом разрешения записи:

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_05.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_05.drawio.svg)

Помимо прочего есть еще одно важное правило, которое необходимо знать при описании регистра:

**Присваивание регистру может выполняться только в одном блоке `always`**

Даже если вдруг САПР не выдаст сразу сообщение об ошибке, в конечном итоге, на этапе синтеза схемы она рано или поздно появится в виде сообщения связанного с **"multiple drivers"**.

В блоке присваивания регистру можно описывать и комбинационную логику, стоящую перед ним, например схему:

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_06.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_06.drawio.svg)

можно описать как

```Verilog
module reg_example(
  input  logic clk,
  input  logic A,
  input  logic B,
  input  logic reset,
  input  logic enable,
  output logic reg_data
);

  logic reg_name;

  always_ff @(posedge clk) begin
    if(reset) begin
      reg_name <= 1'b0;
    end
    else if(enable) begin
      reg_name <= A & B;
    end
  end

  assign reg_data = reg_name;

endmodule
```

Однако это всего лишь упрощение. Если вы умеете описывать регистр с подключением к нему всего одного провода на входе данных, вы все равно сможете описать эту схему:

```Verilog
module reg_example(
  input  logic clk,
  input  logic A,
  input  logic B,
  input  logic reset,
  input  logic enable,
  output logic reg_data
);

  logic reg_name;     // Обратите внимание, что несмотря на то, что
  logic ab;           // и reg_name и ab объявлены типом logic,
                      // ab станет проводом, а reg_name - регистром
                      // (из-за непрерывного присваивания на ab, и блока
                      // always_ff для reg_name)

  assign ab = A & B;

  always_ff @(posedge clk) begin
    if(reset) begin
      reg_name <= 1'b0;
    end
    else if(enable) begin
      reg_name <= ab;
    end
  end

  assign reg_data = reg_name;

endmodule
```

Поэтому так важно разобраться в базовом способе описания регистра.

Более того, с точки зрения синтезатора данное описание проще для синтеза, т.к. ему не разделять из одного `always` блока комбинационную и синхронные части.

Вообще говоря, регистр в общем смысле этого слова представляет собой многоразрядную конструкцию (в рассмотренном ранее примере, 1-битный регистр мог представлять из себя простой D-триггер).
Создание многоразрядного регистра мало отличается от создания многоразрядного провода, а описание логики записи в многоразрядный регистр ничем не отличается от логики записи в одноразрядный регистр:

```Verilog
module reg_example(
  input  logic        clk,
  input  logic [7:0]  data,
  output logic [7:0]  reg_data
);

  logic [7:0] reg_name;

  always_ff @(posedge clk) begin
    reg_name <= data;
  end

  assign reg_data = reg_name;

endmodule
```

## Итоги главы

1. [Регистр](https://ru.wikipedia.org/wiki/Регистр_(цифровая_техника)) — это базовая ячейка памяти, позволяющая хранить состояние, пока на схему подается питание.
2. Для объявления регистра используется тип `logic`, при необходимости после типа указывается разрядность будущего регистра.
3. Для описания логики записи в регистр используется блок `always_ff`, в круглых скобках которого указывается тактирующий сигнал и фронт, по которому будет вестись запись, а также (в случае асинхронного сброса), сигнал сброса.
4. Регистр может иметь различные управляющие сигналы: установки/сброса/разрешения на запись. Логика этих управляющих сигналов является частью логики записи в этот регистр и так же описывается в блоке `always_ff`.
5. При описании логики записи в регистр, необходимо пользоваться оператором **неблокирующего присваивания** `<=`.
6. Нельзя описывать логику записи в регистр более чем в одном блоке `always` (иными словами, операция присваивания для каждого регистра может находиться только в одном блоке always).

## Проверь себя

Как, по-вашему, описать на языке SystemVerilog схему, приведённую ниже?

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_07.drawio.svg](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/registers/fig_07.drawio.svg)

## Список источников

1. Ш. Габриелян, Е. Вахтина / Электротехника и электроника. Методические рекомендации. — Ставрополь: Аргус, 2013
