# Описание мультиплексора на языке SystemVerilog

**Мультипле́ксор** — устройство, имеющее **несколько сигнальных входов**, **один или более управляющих входов** и **один выход**. Мультиплексор позволяет передавать сигнал **с одного из входов на выход**; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов[[1]](https://ru.wikipedia.org/wiki/Мультиплексор_(электроника)).

Иными словами, мультиплексор — это переключатель (коммутатор), соединяющий выход с одним из множества входов.

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

Для начала создадим простой двухвходовой мультиплексор. Предположим, на `Y` нам необходимо передать один из сигналов — `D0` или `D1` в зависимости от значения управляющего сигнала `S`: когда `S==0`, на `Y` подается сигнал `D0`, в противном случае — `D1`.

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

На языке SystemVerilog это можно описать несколькими способами. Первый — с помощью **[тернарного условного оператора](https://ru.wikipedia.org/wiki/Тернарная_условная_операция)**:

## Тернарный условный оператор

<details>

<summary>О тернарном условном операторе</summary>

Операторы бывают различной **[арности](https://ru.wikipedia.org/wiki/Арность)**(количества аргументов оператора[операндов]):

- унарный (с одним операндом), пример: `-a`;
- бинарный (с двумя операндами), пример: `a+b`;
- тернарный (с тремя операндами), пример: `cond ? if_true : false`;
- и др.

Несмотря на то, что тернарным оператором может быть любой оператор, принимающий три операнда, обычно под ним подразумевается **тернарный условный оператор**, работающий следующим образом:

```text
<условие> ? <значение_если_условие_истинно> : <значение_если_условие_ложно>
```

Первым операндом идет некоторое условие (любое выражение, которое может быть сведено к 1 или 0). Далее ставится знак вопроса (часть тернарного оператора, отделяющая выражение первого операнда от выражения второго операнда). Далее пишется выражение, которое будет результатом тернарного условного оператора в случае, если условие оказалось истинным. После чего ставится двоеточие (часть тернарного условного оператора, отделяющая выражение второго операнда от выражения третьего операнда). Затем пишется выражение, которое будет результатом тернарного условного оператора в случае, если условие оказалось ложным.

Пример для языка C++:

```c++
a = b+c >= 5 ? b+c : b+d;
```

Сперва вычисляется первый операнд (выражение `b+c >= 5`). Если это выражение оказалось истинным (равно единице), то переменной `a` будет присвоено значение второго операнда (выражения `b+c`), в противном случае переменной `a` будет присвоено значение третьего операнда (выражения `b+d`).
</details>

```SystemVerilog
logic Y;
assign Y = S==1 ? D1 : D0;
```

Данное выражение говорит нам, что если `S==1`, то `Y` присваивается значение `D1`, в противном случае — значение `D0`.

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

Также мультиплексор можно описать через конструкцию `if-else` в блоке `always`.

> Далее будет ключевой параграф сложного для понимания текста, очень важно запомнить, что там написано и разобрать приведенные листинги.

<br><br>

---

## Блок always

Блок `always` — это специальный блок, который позволяет описывать комбинационные и последовательностные схемы, используя более сложные конструкции, такие как `if-else`, `case`. На самом деле, в языке SystemVerilog помимо общего блока `always`, которым можно описать любой вид логики, существует множество специализированных блоков, предназначенных для описания отдельно комбинационной, синхронной и последовательностной асинхронной логики соответственно:

- always_comb
- always_ff
- always_latch

Мультиплексор можно описать в любом из этих блоков, разница будет лишь в том, к чему именно будет подключен выход мультиплексора: к проводу, регистру, или защелке.

При присваивании внутри блоков `always` используйте специальный оператор **неблокирующего присваивания** `<=`. Бывает еще оператор **блокирующего присваивания** `=`. Подробно о различиях этих операторов рассказано в [этом документе](Assignments.md). До его прочтения запомните:

- внутри блока `always_ff` необходимо использовать оператор неблокирующего присваивания (`<=`);
- внутри блока `always_comb` необходимо использовать оператор блокирующего присваивания (`=`).

---

> Остановитесь на выделенном выше фрагменте документа, пока полностью не разберете его. Без освоения всех описанных выше особенностей языка SystemVerilog вы столкнетесь в будущем с множеством ошибок.

<br><br>

## Блок if-else

Реализация мультиплексора через блок `if-else` похожа на реализацию мультиплексора через тернарный оператор. Если в тернарном операторе управляющий сигнал указывался в качестве первого операнда, отделяемого оператором `?`, то в данном блоке управляющий сигнал указывается в скобках после ключевого слова `if`.

Далее описывается присваивание сигнала, который должен идти на выход при управляющем сигнале равном единице (значение до оператора `:` в тернарном операторе).

После, в блоке `else` описывается присваивание сигнала, который должен идти на выход при управляющем сигнале равном нулю (значение после оператора `:` в тернарном операторе).

```SystemVerilog
logic Y;
always_comb begin // 1) Используется always_comb, т.к. мы хотим подключить
                  // выход мультиплексора к проводу
  if(S) begin     // 2) if-else может находиться только внутри блока always.
    Y = D1;       // 3) Используется оператор блокирующего присваивания.
  end else begin
    Y = D0;
  end
end
```

Кроме того, важно запомнить, что присваивание сигналу допускается **только в одном** блоке always.

Неправильно:

```SystemVerilog
logic Y;
always_comb begin
  if(S==1) begin
    Y = D1;
  end
end

always_comb begin
  if(S==0) begin // Нельзя выполнять операцию присваивания
    Y = D0;      // для одного сигнала (Y) в нескольких
  end            // блоках always!
end
```

Если нарушить это правило, то в будущем (возможно не сразу, но в любом случае — обязательно), возникнет ошибка, которая так или иначе будет связана с **multiple drivers**.

Будьте **очень внимательны** при использовании данного блока. Он обманчиво похож на условный блок в языках программирования, из-за чего возникает желание пользоваться им так же, как можно пользоваться условными блоками в языках программирования. Это не так. Обратите внимание на то, что данный блок выше упоминается исключительно как блок `if-else`. При реализации мультиплексора, у любого блока `if` должен быть соответствующий блок `else`, как у тернарного оператора должно быть два выходных операнда. Если не указать блок `else` при описании мультиплексора, у него будет только один вход, и в итоге на выходе мультиплексора будет сгенерирована **защелка**. Подробнее о защелках описано [здесь](Latches.md).

Существуют ситуации, когда блок `if` может быть использован без блока `else` (например, при описании дешифраторов или сигналов разрешения записи). Однако при описании мультиплексоров таких ситуаций не бывает.

## case-блок

Мультиплексор также можно описать с использованием **конструкции case**. Блок `case` лучше подходит для описания мультиплексора, когда у того более двух входов (ведь в случае конструкции `if-else` пришлось бы делать вложенное ветвление).

Конструкция `case` представляет собой инструмент множественного ветвления, который сравнивает значение заданного выражения с множеством вариантов, и, в случае первого совпадения, использует соответствующую ветвь. На случай, если ни один из вариантов не совпадет с заданным выражением, конструкция `case` поддерживает вариант `default`. Данная конструкция визуально похожа на оператор `switch-case` в Си, однако вы должны понимать, что используется она не для написания программы, а описания аппаратуры, в частности **мультиплексоров**/**демультиплексоров** и **дешифраторов**.

**Конструкция `case`, наряду с `if-else`, может быть описана только в блоке `always`**.

Реализация двухвходового мультиплексора с помощью `case` может выглядеть так:

```SystemVerilog
logic Y;
always_comb begin
  case(S)           // Описываем блок case, где значение сигнала S
                    // будет сравниваться с различными возможными его значениями
    1'b0: Y = D0;   // Если S==0, то Y = D0
    1'b1: Y = D1;
  endcase           // Каждый case должен заканчиваться endcase
end                 // (так же как каждый begin должен оканчиваться end)
```

Рассмотрим вариант посложнее и опишем следующую схему:

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

Здесь уже используется мультиплексор 4в1. Управляющий сигнал `S` в данном случае двухбитный. В блоке `case` мы перечисляем всевозможные варианты значений `S` и описываем выход мультиплексора.

```SystemVerilog
module case_mux_ex(
  input  logic        A,
  input  logic        B,
  input  logic        C,
  input  logic        D,
  input  logic [2:0]  S,

  output logic        Y

);
  always_comb begin
    case(S)
      3'b000:  Y = A;
      3'b001:  Y = C | B;      // в блоке case можно мультиплексировать
                               // не только провода, но и логические выражения
      3'b010:  Y = (C|B) & D;
      /*
        Обратите внимание, что разрядность сигнала S — 3 бита.
        Это означает, что есть 8 комбинаций его разрядов.
        Выше было описано только 3 комбинации из 8.
        Если для всех остальных комбинаций на выходе мультиплексора должно
        быть какое-то одно значение "по умолчанию", используется специальная
        комбинация "default":
      */
      default: Y = D;
    endcase
  end
endmodule
```

## Оператор адресации

Представим, что нам необходимо мультиплексировать реально много сигналов. Например, отдельные биты 1024-разрядной шины. Описывать `case` на 1024 варианта будет сущим безумием. В этом случае, можно будет воспользоваться оператором '[]', который наверняка известен вам как "оператор адресации по массиву" в Си-подобных языках. Работает он интуитивно понятно:

- перед оператором указывается имя массива или вектора (читай как "памяти или шины"), по которым будет идти индексация;
- за именем в квадратных скобках указывается индекс (не важно, в виде константы, или выражения, использующего другие сигналы).

В контексте примера по мультиплексированию 1024 бит использование оператора может быть выполнено следующим образом:

```SystemVerilog
logic [1023:0] bus1024;
logic [   9:0] select;

logic          one_bit_result;

assign one_bit_result = bus1024[select];
```

Реализация мультиплексоров через оператор '[]' будет активно применяться вами при реализации различных памятей.

## Итоги

1. Мультиплексор — это **комбинационный** блок, подающий на выход один из нескольких входных сигналов.
2. Мультиплексор можно описать множеством способов, среди них:
   1. использование [тернарного условного оператора](#тернарный-условный-оператор);
   2. использование конструкции [`if-else`](#блок-if-else) внутри блока [`always`](#блок-always);
   3. использование конструкции [`case`](#case-блок) внутри блока [`always`](#блок-always);
   4. использование [оператора '[]'](#оператор-адресации).
3. Во избежание появления [защелок](Latches.md) при описании мультиплексора, необходимо убедиться что у блоков `if` есть соответствующие им блоки `else`, а у мультиплексоров описаны все комбинации управляющего сигнала (при необходимости, множество оставшихся комбинаций можно покрыть с помощью комбинации `default`). Появление непреднамеренной защелки в дизайне ведет к ухудшению временных характеристик, избыточному использованию ресурсов, а также непредсказуемому поведению схемы из-за возможного удержания сигнала.
4. Важно отметить, что блоки `if-else` и `case` могут использоваться не только для описания мультиплексоров.
5. Конструкции `if-else` и `case` в рамках данных лабораторных работ можно описывать только внутри блока [`always`](#блок-always). При работе с этим блоком необходимо помнить следующие особенности:
   1. Существует несколько типов блока `always`: `always_comb`, `always_ff`, `always_latch`, определяющих то, к чему будет подключена описанная в этом блоке логика: проводу, регистру или защелке соответственно. В данных лабораторных работах вам нужно будет пользоваться блоками  `always_ff` и `always_comb`, причем:
      1. внутри блока `always_ff` необходимо использовать оператор неблокирующего присваивания (`<=`);
      2. внутри блока `always_comb` необходимо использовать оператор блокирующего присваивания (`=`).
   2. Присваивание для любого сигнала возможно только внутри **одного** блока always. Два разных сигнала могут присваиваться как в одном блоке always, так и каждый в отдельном, но операция присваивания одному и тому же сигналу в двух разных блоках always — нет.

---

## Проверь себя

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

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