# 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.

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

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

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.png](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_02.drawio.png)

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.png](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_03.drawio.png)

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

## Блок if-else

> 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 SystemVeriog 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** `=`, объяснение различий в этих операторах требует отдельного документа, поэтому на текущий момент, во избежание проблем в будущем просто запомните: **внутри любого блока always необходимо использовать только оператор неблокирующего присваивания <=**.

```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 неблокирующего 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**.

---

> 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>

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` (иначе у мультиплексора будет только один вход, и в итоге на его выходе будет сгенерирована **защелка**, о которой будет рассказано позднее). 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.png](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_04.drawio.png)

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'b00:   Y <= A;
      3'b01:   Y <= C | B;      // в блоке case можно мультиплексировать
                                // не только провода, но и логические выражения
      3'b10:   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
```

### Защелка

Очень важно при описании мультиплексора с помощью блока `case` описывать оставшиеся комбинации управляющего сигнала с помощью `default` (а при использовании блока `if` — описывать блок `else`) — в противном случае в вашей схеме может появиться [защелка](https://www.build-electronic-circuits.com/d-latch/) (даже несмотря на то, что для описания защелок в SytemVerilog есть отдельный блок `always`: `always_latch`).

Защелка представляет из себя элемент памяти, причем данные в нее записываются не по тактовому синхроимпульсу, а на протяжении относительно длинного промежутка времени, когда управляющий сигнал "открывает" защелку (в этом случае говорят, что защелка становится "прозрачной"). Из-за этого она не является ни комбинационной, ни синхронной схемой.

Защелка — это всего лишь элемент цифровой схемы и будет неправильно говорить о нем в терминах "плохой" или "хороший". Защелка имеет свои плюсы для [ASIC](https://ru.wikipedia.org/wiki/Интегральная_схема_специального_назначения)-проектирования. Однако защелка совершенно не подходит при проектировании устройств под ПЛИС.

Обычно появление защелки в цифровой схеме говорит об ошибке разработки: в случае, если планировалась комбинационная логика, добавление защелки приведет к непредвиденному удержанию предыдущих значений (поскольку защелка сохраняет предыдущее значение до прихода очередной комбинации управляющего сигнала, описанной в блоке `case`). В случае синхронной логики, будет непредсказуемое поведение данных, т.к. информация в защелку будет записываться не синхронно, как это ожидается, а на протяжении длительного промежутка времени, пока защелка "открыта".

Пример:

```SystemVerilog
module unexpected_d_latch_ex(
  input  logic [1:0]  S,
  input  logic        D0,
  input  logic        D1,
  output logic        R
);

always_comb begin
  case(S)
    2'b00: R <= D0;
    2'b01: R <= D1;
    // Поскольку сигнал S двухразрядный, осталось еще две комбинации:
    // S == 2'b10
    // S == 2'b11
  endcase
end


endmodule
```

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_06.png](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_06.png)

На данной схеме различные её части обозначены следующим образом:

1. Мультиплексор, который мы хотели описать
2. Защелка
3. Мультиплексор, который был добавлен чтобы генерировать сигнал, "открывающий" защелку
4. Константная единица (питание)
5. Константный ноль (земля).

В случае, если `S == 0` или `S == 1`, на выход мультиплексора 3 будет подана единица, которая переведет защелку в "прозрачный" режим (данные с выхода мультиплексора 1 будут проходить сквозь защелку).

В случае, если `S > 1`, на выход мультиплексора 3 будет подан ноль, который переведет защелку в "непрозрачный" режим (данные с выхода мультиплексора 1 не будут идти сквозь защелку, вместо этого на выходе защелки останутся последние данные, которые шли через нее, пока она была "открыта").

![../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_07.png](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_07.png)

Кроме того, защелка усложняет временной анализ и ухудшает временные характеристики, из-за чего схема может работать на меньших частотах, чем могла бы.

Таким образом, во избежание появления защелки, необходимо описывать все возможные комбинации в блоке `case` (при необходимости покрывая множество оставшихся комбинаций с помощью `default`) и для каждого блока `if` описывать блоки `else`. В случае, если подобная комбинация не планируется к использованию, можно присвоить сигналу значение ноль. Конечно в этом случае будет создана избыточная логика для присваивания ненужного значения, которое никогда не должно произойти (и существуют способы описания аппаратуры, позволяющие этого избежать), но в данном случае это самый простой способ.

## 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) через непрерывное присваивание;
   2. использование конструкции [`if-else`](#блок-if-else) внутри блока `always`;
   3. использование конструкции [`case`](#case-блок) внутри блока always.
3. Во избежание появления [защелок](#защелка) 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 так же 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.
   2. Внутри блока always следует использовать оператор неблокирующего присваивания `<=`.
   3. Присваивание для любого сигнала возможно только внутри **одного** блока always. Два разных сигнала могут присваиваться как в одном блоке always, так 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_04.drawio.png](../.pic/Basic%20Verilog%20structures/multiplexors/fig_04.drawio.png)
