Vlab Verilog OJ 做题记录(21-30)

基于端口位置的实例化

题目描述

创建一verilog电路，实现对模块mod_a基于端口位置的实例化，如下图所示：

其中mod_a模块的代码提供为：

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module mod_a(
    output out1, out2,
    input in1,in2,in3,in4);
    assign out1 = in1 & in2 & in3 & in4;
    //这只是一个简单的示例
    assign out2 = in1 | in2 | in3 | in4;   
    //这只是一个简单的示例
endmodule

Hint:

  • 实例化名称可以与模块名称相同
  • 实例化模块时，需要注意端口信号的位宽相匹配，本例中都是1bit，所以不存在问题

输入格式

4个1bit信号a, b, c, d

输出格式

经由模块mod_a输出的信号out1, out2

代码和解析

如题目所说，像调用函数一样依次传“参数”即可，注意位置要一一对应。

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module mod_a(
	output out1, out2,
	input in1,in2,in3,in4);
	assign out1 = in1 & in2 & in3 & in4; 	//这只是一个简单的示例
	assign out2 = in1 | in2 | in3 | in4;	//这只是一个简单的示例
endmodule


module top_module( 
    input a, 
    input b, 
    input c,
    input d,
    output out1,
    output out2
);
// 请用户在下方编辑代码
    mod_a mod_a_inst(out1,out2,a,b,c,d);

// 用户编辑到此为止
endmodule

基于端口名称的实例化

题目描述

创建一 verilog 电路，实现对模块 mod_a 基于端口名称的实例化，如下图所示：

其中mod_a模块的代码为：

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module mod_a (
    output   out1,
    output   out2,
    input    in1,
    input    in2,
    input    in3,
    input    in4
);
    assign out1 = in1 & in2 & in3 & in4;    //这只是一个简单的示例
    assign out2 = in1 | in2 | in3 | in4;    //这只是一个简单的示例
endmodule

输入格式

输入信号 a, b, c, d，位宽 1bit。

输出格式

输出信号 out1, out2，位宽 1bit。

代码和解析

除了像C语言一样按顺序传参数以外，Verilog还可以进行基于端口名称的实例化，如这道题所示。

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module mod_a (
    output   out1   ,
    output   out2   ,
    input    in1    ,
    input    in2    ,
    input    in3    ,
    input    in4
);
    assign out1 = in1 & in2 & in3 & in4;    //这只是一个简单的示例
    assign out2 = in1 | in2 | in3 | in4;    //这只是一个简单的示例
endmodule

module top_module ( 
    input   a   ,
    input   b   ,
    input   c   ,
    input   d   ,
    output  out1,
    output  out2
);

mod_a ul(
    .out1       (out1),
    .out2       (out2),
    .in1        (a),
    .in2        (b),
    .in3        (c),
    .in4        (d));
endmodule

多个模块的例化

题目描述

对于给定模块my_dff，包含两个输入信号和一个输出信号（D触发器模块），其代码如下：

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module my_dff(input clk,input d,output reg q);
   always@(posedge clk)
      q <= d;
endmodule

请创建一verilog模块，在该模块中将my_dff模块例化3次，并串行连接，使其构成一个长度为3的移位寄存器，其中3个模块公用一个clk信号，如下图所示：

为实现电路功能，用户需要在顶层模块定义一些内部信号，从而能够将3个例化的模块进行连接。

输入格式

2个 1bit 位宽信号 clk、d

输出格式

1个 1bit 位宽信号 q

代码和解析

只需要对于图里面的两个粗箭头定义两个wire型中间信号即可。

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module my_dff(input clk,input d,output reg q);
    always@(posedge clk)
        q <= d;
endmodule

module top_module ( input clk, input d, output q );
    wire w1,w2;
    my_dff u1(.clk(clk),.d(d),.q(w1));
    my_dff u2(.clk(clk),.d(w1),.q(w2));
    my_dff u3(.clk(clk),.d(w2),.q(q));
endmodule

模块与向量信号

题目描述

对于给定模块 my_dff8，其代码如下所示：

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module my_dff8(
input clk,
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
    always@(posedge clk)
        q <= d;      
endmodule

试创建一 Verilog 模块，对 my_dff8 模块例化 3 次，并串行连接，构成一个 8bit 位宽长度为 3 的移位寄存器，同时可以通过选择信号选择输出结果，如下图所示：

输入格式

8bit 的任意有效输入

输出格式

根据 sel 信号，选择一个模块或者原输入作为输出信号

代码和解析

比特矢量是可以作为一个信号直接参与模块例化的，这也是我之前说要把比特矢量看成一个“数”的原因之一。

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module my_dff8(
  input clk,
  input [7:0] d,
  output reg [7:0] q
);
	always@(posedge clk)
    	q <= d;
endmodule


module top_module(
  input clk,
  input [7:0] d,
  input [1:0] sel,
  output reg [7:0] q
);
    wire [7:0] w1,w2,w3;
    my_dff8 u1(.clk(clk),.d(d),.q(w1));
    my_dff8 u2(.clk(clk),.d(w1),.q(w2));
    my_dff8 u3(.clk(clk),.d(w2),.q(w3));
  	always @(*) begin
        case (sel)
            0:q=d;
            1:q=w1;
            2:q=w2;
            3:q=w3;
            default : q=8'b00000000;
        endcase
      end
  // Write your code here
endmodule

这里用到了always块，是以前没有用到过的，但是我后面几个题的时候再来讲解。

加法器

对于给定的16bit加法器电路，其代码如下：

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module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
    assign {cout,sum} = a + b + cin;
 endmodule

试创建一verilog模块，在该模块中实例化两个16bit的加法器，并进行适当的连接，最终构成一个32bit的加法器，该加法器输入进位位为0，如下图所示：

输入格式

32'b0 32'b0

输出格式

32'b0

代码和解析

这个题只需要读懂逻辑，然后照着图实现就可以了。这是一个典型的链接两个加法器的题，对于一个加法器（全加器），一般有三个输入：a,b是两个加数，cin是用来记录上一步有没有进位的值。输出一般有两个：sum是结果，cout是用来记录这个加法器有没有产生进位的值。

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module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
	assign {cout,sum} = a + b + cin;
endmodule

module top_module(
    input [31:0] a,
    input [31:0] b,
    output [31:0] sum
);
    wire [15:0] sum1,sum2;
    wire w1,w2;
    add16 u1(.a(a[15:0]),.b(b[15:0]),.cin(0),.sum(sum1),.cout(w1));
    add16 u2(.a(a[31:16]),.b(b[31:16]),.cin(w1),.sum(sum2),.cout(w2));
    assign sum={sum2,sum1};
  
endmodule

多层次例化加法器

题目描述

在此练习中，用户需要创建一个包含两层调用的电路，在顶层模块中，实例化两个16bit位宽的加法器add16,而add16模块又是通过例化16个1bit全加器实现的，如下图所示：

在本设计中，一共涉及到3个模块，分别是：顶层模块、add16模块、add1模块，其中add16模块源代码如下：

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module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout);
wire c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,c9,c10,c11,c12,c13,c14,c15;

add1 inst_0(.a(a[0]),.b(b[0]),.cin(cin),.sum(sum[0]),.cout(c1));
add1 inst_1(.a(a[1]),.b(b[1]),.cin(c1),.sum(sum[1]),.cout(c2));
add1 inst_2(.a(a[2]),.b(b[2]),.cin(c2),.sum(sum[2]),.cout(c3));
add1 inst_3(.a(a[3]),.b(b[3]),.cin(c3),.sum(sum[3]),.cout(c4));
add1 inst_4(.a(a[4]),.b(b[4]),.cin(c4),.sum(sum[4]),.cout(c5));
add1 inst_5(.a(a[5]),.b(b[5]),.cin(c5),.sum(sum[5]),.cout(c6));
add1 inst_6(.a(a[6]),.b(b[6]),.cin(c6),.sum(sum[6]),.cout(c7));
add1 inst_7(.a(a[7]),.b(b[7]),.cin(c7),.sum(sum[7]),.cout(c8));
add1 inst_8(.a(a[8]),.b(b[8]),.cin(c8),.sum(sum[8]),.cout(c9));
add1 inst_9(.a(a[9]),.b(b[9]),.cin(c9),.sum(sum[9]),.cout(c10));
add1 inst_10(.a(a[10]),.b(b[10]),.cin(c10),.sum(sum[10]),.cout(c11));
add1 inst_11(.a(a[11]),.b(b[11]),.cin(c11),.sum(sum[11]),.cout(c12));
add1 inst_12(.a(a[12]),.b(b[12]),.cin(c12),.sum(sum[12]),.cout(c13));
add1 inst_13(.a(a[13]),.b(b[13]),.cin(c13),.sum(sum[13]),.cout(c14));
add1 inst_14(.a(a[14]),.b(b[14]),.cin(c14),.sum(sum[14]),.cout(c15));
add1 inst_15(.a(a[15]),.b(b[15]),.cin(c15),.sum(sum[15]),.cout(cout));
endmodule

现在，你需要完成顶层模块和add1模块的verilog代码。

输入格式

两个32位宽的加数a,b

输出格式

32位宽的和sum

代码和解析

首先，第一部分是实现一位全加器add1，有两种实现方式。第一种是写出真值表，画出卡诺图并化简成逻辑表达式：

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module add1 ( input a, input b, input cin,   output sum, output cout );
    wire w1,a1,a2,a3;
    assign w1 = a ^ b;
    assign sum = w1 ^ cin;
    assign a1 = a & b;
    assign a2 = a & cin;
    assign a3 = b & cin;
    assign cout = a1 | a2 | a3;
// Full adder module here
endmodule

第二种是基于行为建模，直接写出结果即可：

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module add1 ( input a, input b, input cin,   output sum, output cout );
    assign {cout,sum}=a+b+cin;
endmodule

然后，第二部分就是top_module，这个没有什么新意，照着图写就行。

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module top_module (
    input [31:0] a,
    input [31:0] b,
    output [31:0] sum);
    
    wire w1,w2;
    wire [15:0] sum1,sum2;

    add16 u1(
        .a(a[15:0]),
        .b(b[15:0]),
        .cin(0),
        .sum(sum1),
        .cout(w1)
    );

    add16 u2(
        .a(a[32:16]),
        .b(b[32:16]),
        .cin(w1),
        .sum(sum2),
        .cout(w2)
    );

    assign sum = {sum2,sum1};

endmodule

进位选择加法器

题目描述

前例中的加法器成为串行进位加法器，只有等前一级的加法器运算结束产生进位位之后，下一级加法器才能利用进位位进行计算，因此电路延时会随加法器串联级数的增加而线性增加，这使得电路计算速度大大降低。设每一级全加器的延时为t，则32bit加法器的延时则为：32t。 为降低电路整体延时，我们可以按下图进行设计：

我们将电路分为两段，每段实现16bit的加法，为了使高16位与低16位同时进行运算，我们采用两个add16对高位进行计算，区别在于进位位分别为0和1，最终通过低16位加法器的输出进位作为选择控制信号，选择高16位的运算结果。这样，32bit加法器的延时就变为：16t+tmux2 ≈16t,延时降低了接近一倍，这种以空间（增加电路）换时间（提高速度）的做法，在数字电路设计中经常使用。 请创建Verilog模块，实现上图中的电路结构，其中add16不需要用户编写，其声明如下：

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module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
   assign {cout,sum} = a + b + cin;
endmodule

输入格式

32bit a, 32bit b

输出格式

32bit sum 为 a 与 b 的和

代码和解析

这题和前面几题差不多，没有什么难度，但是这个题介绍的方法很有趣。

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module add16 ( 
	input[15:0] a, 
    input[15:0] b, 
    input cin, 
    output[15:0] sum, 
    output cout 
);
	assign {cout,sum} = a + b + cin;
endmodule

module top_module(
    input [31:0] a,
    input [31:0] b,
    output [31:0] sum
);
    wire [15:0] sumH0,sumH1,sumL;
    wire coutL;
    add16 H0(
        .a(a[32:16]),
        .b(b[32:16]),
        .cin(0),
        .sum(sumH0)
    );
    add16 H1(
        .a(a[32:16]),
        .b(b[32:16]),
        .cin(1),
        .sum(sumH1)
    );
    add16 L(
        .a(a[15:0]),
        .b(b[15:0]),
        .cin(0),
        .sum(sumL),
        .cout(coutL)
    );
    assign sum=(coutL?{sumH1,sumL}:{sumH0,sumL});
endmodule

加法减法器

题目描述

通过对加法器进行改造，可以支持加、减两种运算。我们知道，电路中有符号数通常使用补码表示，如\(-b\)其补码为：\(\sim b + 1\)（按位取反然后加1）。因此，对于减法算式\(a-b\),可以理解为\(a+(-b) = a+(\sim b+1)= a + (\sim b) +1\),因此对于减法运算，可以将加法器进行如下改造实现

实现减法运算时，首先通过32bit的异或门，将信号b按位取反，同时将输入进位位置1，实现加法运算时，b保持不变，输入进位位置0。 其中add16模块代码如下，用户可直接调用：

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module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
	assign {cout,sum} = a + b + cin;
endmodule

请创建Verilog模块，实现上述电路功能。

输入格式

32位的a,b，以及一个1位信号sub，sub为1时为减法，sub为0时为加法

输出格式

32位信号sum 注：我想你读到这里的时候，一定跟我一样想着直接用sum=(sub==0?a+b:a-b)逃课了，但是请老老实实地按题目要求分高位低位取补码相加哦~~~

代码与解析

我们先对\(b\)进行一个处理。如果题目要求加，即sub==0，那么不需要做任何处理，直接加即可。但是如果题目要求减，即sub==1，那么需要求取b的反码，即~b。我们很容易想到，异或可以完成这个工作：遇到0不变，遇到1取反。所以我们可以直接把b和sub异或。

由于减法是\(a+(-b) = a+(\sim b+1)= a + (\sim b) +1\)，为了实现这个加一，我们直接把sub信号接到第一个全加器的cin上即可。

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module add16 ( input[15:0] a, input[15:0] b, input cin, output[15:0] sum, output cout );
	assign {cout,sum} = a + b + cin;
endmodule
module top_module(
    input [31:0] a,
    input [31:0] b,
    input sub,
    output [31:0] sum
);
    wire [31:0] bXorSub;
    wire [15:0] sum1,sum2;
    wire w1;
    assign bXorSub = b ^ {32{sub}};
    add16 u1(
        .a(a[15:0]),
        .b(bXorSub[15:0]),
        .cin(sub),
        .sum(sum1),
        .cout(w1)
    );
    add16 u2(
        .a(a[31:16]),
        .b(bXorSub[31:16]),
        .cin(w1),
        .sum(sum2)
    );
    assign sum={sum2,sum1};
endmodule

always过程块_组合逻辑

题目描述

所有的数字电路都是由逻辑门和连线构成的，因此理论上来说都可以通过模块的连接和assign语句进行描述，然而在很多情况下这并不是最方便的一种方式，过程块提供了一种更加方便的描述方式，always过程块便是其中最常用的一种。 对于可综合电路（即能转化成实际电路的verilog描述方式，与之相对的是不可综合电路，多用于电路仿真，不能转换成实际电路），有两种always块的语法形式：

  • 组合逻辑电路：always@(*)
  • 时序逻辑电路：always@(posedge clk)

组合逻辑电路的always块与assign语句等效，用户描述组合逻辑电路时，可根据便利性选择其中一种方式使用。两者生成的硬件电路一般是等效的，但在语法规则上稍有不同：

  • assign语句只能对一个信号进行赋值，always块内可对多个信号进行赋值
  • assign语句中被赋值信号为wire类型，always块内被赋值信号需定义为reg类型
  • always块内支持更加丰富的语法，如使用if…else..、case等适合实现交复杂的组合逻辑 例如下述两条语句是等效的（out1需定义为wire类型，out2需定义为reg类型，但这仅仅是语法上的要求，生成的电路并没有区别）： 
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    assign out1 = a & b | c ^ d;
    always @(*) out2 = a & b | c ^ d;
    其对应的电路图如下所示：

always语句后的括号内放的是敏感变量列表，对于上例来说，可以写成always @(a,b,c,d) out2 = a & b | c ^ d，但为了简单起见，我们一般都用符号*代替。 试创建一verilog模块，实现一与门，分别用assign语句和always块实现。

输入格式

1位的a，1位的b

输出格式

1位的out_assign，1位的out_alwaysblock

代码和解析

这道题向我们介绍了一个叫做“过程块”的事物，它就是always。在过程块中被赋值的变量必须是reg类型，尽管综合时可能和平常所使用的assign得到的电路没有区别。

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module top_module(
    input a, 
    input b,
    output wire out_assign,
    output reg out_alwaysblock
);
    assign out_assign = a & b;
    always @(*) begin
        out_alwaysblock = a & b;
    end
endmodule

always过程块_时序逻辑

题目描述

通过前例已经了解到，对于可综合电路，有两种always块的语法形式：

  • 组合逻辑电路：always@(*)
  • 时序逻辑电路：always@(posedge clk)

用always描述的时序逻辑电路，除了像组合逻辑always块那样生成组合逻辑电路外，还会生成一组触发器（或称寄存器），用于寄存组合逻辑的输出。寄存器的输出只有在时钟的上升沿时（posedge clk）才会更新，其余时刻均保持不变。 阻塞赋值和非阻塞赋值： 在Verilog中，有三种赋值方式，分别为：

  • 连续赋值（如assign x = y;），该赋值方式只能用于过程块(如always块)之外
  • 阻塞赋值（如x = y;），该赋值方式只能用在过程块（如always@（*））内
  • 非阻塞赋值（如x <= y;），该赋值方式只能用在过程块内（如always@（posedge clk））

在设计Verilog模块时，请遵循以下原则：

  • 在组合逻辑的always块内采用阻塞赋值
  • 时序逻辑的always块内采用非阻塞赋值

违背这一原则将可能导致难以发现的电路错误，且可能导致仿真与综合的不一致，请用户切记。至于为何这样，初学者可以不必理会，简单理解为verilog语法规范性要求即可。 创建一verilog电路，分别采用上述三种赋值方式实现异或门电路，如下图所示：

Hint

  • always块内被赋值的信号都应定义成reg类型
  • always块内，组合逻辑采用阻塞赋值（a = b），时序逻辑采用非阻塞赋值（a <= b）
  • always语句括号内是敏感变量列表，时序逻辑是边沿敏感的，posedge clk表示的是clk信号的上升沿，此外，还可以是negedge clk，表示clk信号的下降沿。

输入格式

一位线网型变量clk，a, b。clk为时钟，a，b为输入

输出格式

一位线网型变量out_assign，out_always_comb，out_always_ff。out_assign为a，b连续赋值得到的结果。out_always_comb为a，b阻塞赋值得到的结果。out_always_ff为a，b非阻塞赋值得到的结果

代码和解析

连续性赋值总是处于激活状态，任何操作数的改变都会影响表达式的结果；过程赋值只有在语句执行的时候，才会起作用。这是连续性赋值与过程性赋值的区别。

阻塞赋值属于顺序执行，即下一条语句执行前，当前语句一定会执行完毕。例如：

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wire sel, a, b ;
reg y , c ;
always @( sel or a or b ) begin
    if ( sel == 1'b1 ) begin
        c = a ;
        y = c ；//实际就是y=a，这为了展示依次描述过程
    end
    else y = b ;
end

这就是阻塞赋值，先执行c=a，再执行y=c，这段代码等价于：

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wire sel, a, b, y ;
assign y = ( sel == 1’b1 ) ? a : b ;

非阻塞赋值属于并行执行语句，即下一条语句的执行和当前语句的执行是同时进行的，它不会阻塞位于同一个语句块中后面语句的执行。例如：

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module Cyclic_shifter ( clk, rst_n, Q );
    input clk, rst_n ;
    output [ 2 : 0 ] Q ;
    reg [ 2 : 0 ] Q ;
    always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin
        if ( ~rst_n ) Q <= 3'b001 ;
        else begin
            Q[0] <= Q[2] ; //相当于 Q <= { Q[1:0], Q[2]} ;
            Q[1] <= Q[0] ; //这里只是为了展示非阻塞赋值，
            Q[2] <= Q[1] ; //实际上，可打乱这3句的次序，无影响
        end
    end
endmodule

非阻塞赋值是先计算出要“赋”的“值”，然后到块结束再统一“赋予”。例如上面的代码，就是利用非阻塞赋值来交换了三个变量的值。

本题的代码为：

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module top_module(
    input clk,
    input a,
    input b,
    output wire out_assign,
    output reg out_always_comb,
    output reg out_always_ff   
);
// 请用户在下方编辑代码
    assign out_assign = a ^ b;
    always @(*) begin
        out_always_comb = a ^ b;    
    end
    always @(posedge clk) begin
        out_always_ff <= a ^ b;
    end
//用户编辑到此为止
endmodule

if…else…语句

题目描述

if语句用于过程块内部，其对应的电路是二选一的选择器，

以下述代码为例：

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always@(*)
begin
if(condition) out = x;
  else out = y;
end

上述代码与下面的assign语句完全等效：

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assign out = (condition) ? x : y;

试创建一Verilog模块，分别采用assing语句和过程块内的if语句实现下述选择器电路：

Hint： 1. if…else…可以嵌套使用

  1. 使用if语句描述组合逻辑时，务必加上else语句，以免产生锁存器（数字电路设计中应尽力避免产生锁存器）
  2. 本题两个输出信号波形其实是完全一致的，原则上是为了训练大家采用assign和过程块内的if语句使用，所以希望大家能够两种方式都各自尝试一下

输入格式

信号a, b, 选择信号sel_b1, sel_b2

输出格式

通过assign语句选择的信号out_assign 通过if语句选择的信号out_always

代码和解析

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module top_module(
    input a,
    input b,
    input sel_b1,
    input sel_b2,
    output wire out_assign,
    output reg out_always); 
// 请用户在下方编辑代码
    assign out_assign = (sel_b1 & sel_b2) ? b : a;
    always @(*) begin
        if(sel_b1 & sel_b2)
            out_always = b;
        else 
            out_always = a;
    end
//用户编辑到此为止
endmodule
技术
#Verilog #数电
Vlab Verilog OJ 做题记录(21-30)
https://suzumiyaakizuki.github.io/2022/10/19/Verilog21-30/
作者
SuzumiyaAkizuki
发布于
2022年10月19日
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