Toán tử thao tác bit

Thuộc phần Kiến thức nền tảng trong hành trình Verilog của Coddy. Bài học 23 trên 90.

Các toán tử thao tác bit thực hiện thao tác trên từng bit riêng lẻ của một số. Khác với các toán tử số học (+, -, *, /) xử lý số như những giá trị nguyên vẹn, các toán tử thao tác bit hoạt động trên từng bit.

Các toán tử bitwise có sẵn

Toán tử	Phép toán	Tác dụng
`&`	AND	Bit đầu ra là 1 chỉ khi cả hai bit đầu vào đều là 1
`\|`	OR	Bit đầu ra là 1 nếu ít nhất một bit đầu vào là 1
`^`	XOR	Bit đầu ra là 1 nếu các bit đầu vào khác nhau
`~`	NOT	Đảo tất cả các bit (0 thành 1, 1 thành 0)

Khi dùng các toán tử thao tác bit, Verilog xử lý các số dưới dạng nhị phân ở bên trong.

reg [3:0] a, b;

a = 4'd10;      // Decimal 10 = binary 1010
b = 4'd12;      // Thập phân 12 = nhị phân 1100
c = a & b;      // Cho kết quả giống như khi dùng trực tiếp số nhị phân

Bạn có thể viết số ở dạng thập phân, thập lục phân hoặc nhị phân. Verilog chuyển chúng sang dạng nhị phân để thực hiện các phép toán bit.

Cách hoạt động của toán tử bit

Mỗi toán tử (operator) hoạt động trên từng cặp bit (hoặc từng bit riêng lẻ với NOT):

Ví dụ với các số 4 bit:

a = 1010  (binary)
b = 1100  (binary)

AND:  a & b = 1000
      (1&1=1, 0&1=0, 1&0=0, 0&0=0)

OR:   a | b = 1110
      (1|1=1, 0|1=1, 1|0=1, 0|0=0)

XOR:  a ^ b = 0110
      (1^1=0, 0^1=1, 1^0=1, 0^0=0)

NOT:  ~a = 0101
      (~1=0, ~0=1, ~1=0, ~0=1)

Ví dụ code

module bitwise_demo;
  reg [3:0] a, b;
  reg [3:0] and_res, or_res, xor_res, not_res;
  
  initial begin
    a = 4'b1010;
    b = 4'b1100;
    
    and_res = a & b;   // 1010 & 1100 = 1000
    or_res  = a | b;   // 1010 | 1100 = 1110
    xor_res = a ^ b;   // 1010 ^ 1100 = 0110
    not_res = ~a;      // ~1010 = 0101
    
    $display("a = %b", a);
    $display("b = %b", b);
    $display("a & b = %b", and_res);
    $display("a | b = %b", or_res);
    $display("a ^ b = %b", xor_res);
    $display("~a    = %b", not_res);
    $finish;
  end
endmodule

Đầu ra:

a = 1010
b = 1100
a & b = 1000
a | b = 1110
a ^ b = 0110
~a    = 0101

Thử thách

Tính kết quả của các phép toán bitwise với những giá trị đã cho.

Cần làm:

Tính a & b và lưu vào and_res
Tính a | b và lưu vào or_res
Tính a ^ b và lưu vào xor_res
Tính ~a và lưu vào not_res

Tự làm thử

module bitwise_challenge;
  reg [3:0] a, b;
  reg [3:0] and_res, or_res, xor_res, not_res;
  
  initial begin
    a = 4'b1101;
    b = 4'b1011;
    
    and_res = ______;   // a & b
    or_res  = ______;   // a | b
    xor_res = ______;   // a ^ b
    not_res = ______;   // ~a
    
    $display("a = %b", a);
    $display("b = %b", b);
    $display("a & b = %b", and_res);
    $display("a | b = %b", or_res);
    $display("a ^ b = %b", xor_res);
    $display("~a    = %b", not_res);
    $finish;
  end
endmodule