验证工程师经常犯的错误（4）---符号位扩展问题

来源| 杰瑞IC验证（ID:Jerry_IC） |原创作者| Q哥

在用SystemVerilog码代码的时候，经常会遇到逻辑和算术运算表达式，除了之前提到的运算符优先级问题，还有一个头疼的问题就是符号位扩展。

什么时候会自动进行符号位扩展？

什么时候需要人工扩展？

不知道大家是否了然于胸呢？

先来想想下面这几个问题，热热身：

对有符号数进行截位，会得到有符号数吗？

有符号数和无符号数相加，结果是有符号数吗？

操作数都是有符号数，结果一定是有符号数吗？

别担心，今天Q哥跟大家一起梳理一遍。

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先说两个概念，context-determined操作数和self-determined操作数。

context-determined操作数是指进行运算的时候，需要根据当前的上下文对操作数先进行扩展，然后再运算。

举个例子 ：

代码片段1

求a+b然后赋值给c的时候，会先判断a b c的位宽，找出他们中的最大位宽，对其余的进行扩展。

这里c是16位最大，那么会先把a和b扩展到16位，然后求加法, 再赋值给c。

self-determined操作数是指不需要根据当前的上下文对操作数进行扩展，直接运算。

再举个例子：

代码片段2

这里直接对b求缩位与运算得到1’b1, 然后 c = a | 1‘b1；

之后的按位或以及赋值都是context-determined运算符。

这里根据context-determined还是self-determined，整理了一下各种运算符：

表1

这张表格Q哥不建议大家死记硬背，只是想引起大家注意符号位扩展问题，在写代码的时候，能够提前避免写出容易出错的代码。

接下来给大家把开头的几个误区掰开揉碎。

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误区1：对有符号数进行截位，会得到有符号数吗？

代码片段3

如上面代码片段3所示，a和b都是16比特有符号数，截取b的高8位赋给a时，会自动扩展符号位吗？

答案是否定的。

根据上面表格1可知，位选择操作数b是self-determined，不受上下文影响，结果b[15:8]是无符号数。

而赋值操作符号位由右侧决定，所以a最终得到的是无符号数b[15:8]高位补0进行扩展后得到的{8‘h0, b[15:8]}，即16‘h00ff。

误区2：有符号数和无符号数相加，结果是有符号数吗？

代码片段4

如上面代码片段4所示，a是16比特有符号数，b是16比特无符号数，d是32位有符号数。

a+b会进行符号位扩展吗？

答案是否定的。

根据上面表格1可知，算术运算中如果一个是有符号数，一个是无符号数，则视为两个无符号数运算。

因此会先对a和b的高位补0将它们扩展为32位(即32’h0000_ffff和32’h0000_0001)，然后计算，最后把结果赋值给d。

所以d最终得到的是32’h0001_0000.

误区3：操作数都是有符号数，结果一定是有符号数吗？

代码片段5

如上面代码片段5所示，a c都是16比特有符号数，d是32比特有符号数。

a会扩展符号位吗？

答案是否定的。

根据上面表格可知，缩进或运算是self-determined，因此不会进行符号扩展，其结果是1比特无符号数。

相当于a加上一个1比特无符号数（如下面代码片段6所示）。

根据上面表格1可知，算术运算时，一个有符号数，一个是无符号数，则视为两个无符号数运算。

因此会先对a和e高位补0将它们扩展为32位（32’h0000_ffff和32’h0000_0001），然后进行加法计算，最后把结果赋值给d。

所以d最终结果是32’h0001_0000.

代码片段6

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看到这里是不是有些晕？

Q哥给大家支一招。

在进行运算的时候，加上signed关键字就好了。

比如上面前两个个误区，可以写成：

代码片段7

但是需要特别强调一点，如果原本操作数只有一比特，那么需要高位先补一个0，再加上signed关键字。

因为1‘b1直接当作signed扩展，会变成-1。

这点大家一定要注意！

总结

在运算和条件表达式里面出现操作数位宽不一致时，可能会自动进行位宽扩展。

如果出现有符号数时，一定要慎之又慎。

对于拿不准的，最好根据实际需求，手动补齐高位，或者添加signed关键字。

验证无难事，只要肯积累。我们下期再见！