lzc

我们开始逐行分析你提供的 lzc.sv 模块的前 20 行，这段代码实现了一个 Leading Zero Counter（LZC）或 Trailing Zero Counter（TZC），功能上非常关键，常用于：

Posit 或浮点尾数规格化（前导零计数）
非零检测与对齐
位串压缩/快速编码等

📄 文件前几行：版权信息

// Copyright (c) 2018 - 2019 ETH Zurich, University of Bologna
// All rights reserved.
// ...

🔍 行 15–20：模块功能说明

/// A trailing zero counter / leading zero counter.
/// Set MODE to 0 for trailing zero counter => cnt_o is the number of trailing zeros (from the LSB)
/// Set MODE to 1 for leading zero counter  => cnt_o is the number of leading zeros  (from the MSB)
/// If the input does not contain a zero, `empty_o` is asserted. Additionally `cnt_o` contains
/// the maximum number of zeros - 1. For example:
///   in_i = 000_0000, empty_o = 1, cnt_o = 6 (mode = 0)

这些是 模块文档注释（///），说明如下几点：

特性	说明
MODE=0	Trailing Zero Counter：从最低有效位（LSB）向高数，数 0 的个数
MODE=1	Leading Zero Counter：从最高有效位（MSB）向低数，数 0 的个数
empty_o	如果输入中没有 0，则置 1，cnt_o 输出最大值（例如全 0 输出最大计数）

✅ 举例说明（第 20 行）

in_i = 000_0000, empty_o = 1, cnt_o = 6 (mode = 0)

即：输入为全 0，则 trailing 模式下有 6 个零位，cnt_o=6，并且 empty_o=1。

我们将继续读取并分析 module 定义与端口，是否继续往下查看结构与逻辑实现？
我们继续对 lzc.sv 第 21–40 行逐行分析。这一段包含模块声明、参数定义与端口接口。

📄 行 21–23：更多使用示例注释

///   in_i = 000_0001, empty_o = 0, cnt_o = 0 (mode = 0)
///   in_i = 000_1000, empty_o = 0, cnt_o = 3 (mode = 0)

这两行举了具体例子来说明 Trailing Zero Counter 模式：

输入为 000_0001，最右边一位是 1，故 trailing zero 为 0
输入为 000_1000，最后一个 1 前有 3 个 0，因此输出 cnt_o = 3

📄 行 24–25：模拟优化说明

/// Furthermore, this unit contains a more efficient implementation for Verilator (simulation only).
/// This speeds up simulation significantly.

说明：该模块内置了一个模拟优化路径，用于 Verilator 仿真器（通过 verilator lint_off 等方式加速 zero count 运算）。

🧱 行 26：模块开始

module lzc #(

SystemVerilog 的参数化模块声明开始。

⚙️ 行 27–33：模块参数定义

  parameter int unsigned WIDTH = 2,
  parameter bit          MODE  = 1'b0,
  parameter int unsigned CNT_WIDTH = cf_math_pkg::idx_width(WIDTH)

参数名	含义
`WIDTH`	输入向量 `in_i` 的位宽
`MODE`	0 = trailing zero counter，1 = leading
`CNT_WIDTH`	计数输出的位宽，自动由 `cf_math_pkg::idx_width(WIDTH)` 推导得出（log2向上取整）

🧩 行 34：端口列表开始

) (

结束参数块，开始端口定义。

🧮 行 35–37：输入输出端口声明

  input  logic [WIDTH-1:0]     in_i,
  output logic [CNT_WIDTH-1:0] cnt_o,
  output logic                 empty_o

端口	类型	含义
`in_i`	输入	要统计的输入向量
`cnt_o`	输出	统计到的前导（或尾部）零的数量
`empty_o`	输出	如果输入中没有任何 `1`，则输出为 1

✅ 小结：到目前为止我们得到了：

模块功能是双模式的 zero counter（leading/trailing）
参数化设计，可支持任意宽度输入
使用了包中函数 idx_width 计算最小输出位宽

是否继续分析模块实现部分？接下来很可能包含 generate、for loop 或递归结构来高效实现 zero count。
我们继续分析第 61–80 行，开始进入 反转输入向量（用于 leading vs trailing 模式） 以及 构造递归归约树 的核心逻辑。

🔁 行 61–63：声明反转后的临时向量

logic [WIDTH-1:0] in_tmp;

🔸 为了统一后续逻辑，无论是 LZC（从高位扫）还是 TZC（从低位扫），都将输入向量 in_i 统一转换为一个内部向量 in_tmp，即：

如果是 LZC：反转向量（高位对准低位）
如果是 TZC：保留原顺序

🔄 行 64–68：反转操作

always_comb begin : flip_vector
  for (int unsigned i = 0; i < WIDTH; i++) begin
    in_tmp[i] = (MODE) ? in_i[WIDTH-1-i] : in_i[i];
  end
end

🧠 逻辑说明：

对于每一位索引 i：
- 若 MODE == 1（即 LZC 模式），将输入反转
- 若 MODE == 0（即 TZC 模式），保留原顺序

这一步确保后续统一用“从 index 0 向上扫”来处理，不用区分高低位。

🔣 行 70–72：构造 index LUT

for (genvar j = 0; unsigned'(j) < WIDTH; j++) begin : g_index_lut
  assign index_lut[j] = (NumLevels)'(unsigned'(j));
end

每个位都赋一个静态索引值：

index_lut[j] = j（强制转换为 NumLevels 宽度）

这些索引值将被用于后续二叉归约过程中挑选出最靠前的 1 所在位的位置。

🧱 行 74–75：构造归约层

for (genvar level = 0; unsigned'(level) < NumLevels; level++) begin : g_levels
  if (unsigned'(level) == NumLevels - 1) begin : g_last_level

构建一个 多层二叉归约树：

每一层 level 表示当前归约深度
NumLevels 是整棵树的高度
g_last_level 是处理树最底层的节点（用于最终合并）

🔁 行 76–80：具体树节点归约（部分）

for (genvar k = 0; k < 2 ** level; k++) begin : g_level
  if (unsigned'(k) * 2 < WIDTH - 1) begin : g_reduce
    assign sel_nodes[2 ** level - 1 + k] = in_tmp[k * 2] | in_tmp[k * 2 + 1];

🧠 核心逻辑：

每一层将相邻的两个 bit 分组，例如 in_tmp[0] 与 in_tmp[1] 构成一组
用 OR 判断该组中是否有 “1”
如果有，则当前节点 sel_nodes[idx] = 1，表示该子树路径有效

📌 注意：

节点编号：2^level - 1 + k 是满二叉树的编号方式（从上往下，左往右编号）

到此，我们处理了：

输入反转
每位构建索引表
二叉归约逻辑的第一层

是否继续分析剩余归约过程（index_nodes 构造、最终输出 cnt_o 和 empty_o）？

继续分析第 81–100 行，这部分是归约树中的核心逻辑：选择最先出现的有效位（从输入向量中第一个为 1 的位）并记录其索引。分为最底层的输入归约（leaf level）和非最底层的索引归约（internal levels）。

🍃 最底层归约（处理输入向量）

assign index_nodes[2 ** level - 1 + k] = (in_tmp[k * 2] == 1'b1)
  ? index_lut[k * 2] :
    index_lut[k * 2 + 1];

🔍 若 in_tmp[k*2] 为 1，就选择它的索引作为结果；否则选择右边的。

📌 对应输入中两个比特中，哪个先为 1，就将其索引存入 index_nodes。

⚠️ 边界处理：只有一个元素时

if (unsigned'(k) * 2 == WIDTH - 1) begin : g_base
  assign sel_nodes[2 ** level - 1 + k] = in_tmp[k * 2];
  assign index_nodes[2 ** level - 1 + k] = index_lut[k * 2];
end

🎯 说明：

若当前层中，只剩下一个元素（即 k*2 == WIDTH-1），就不能再成对比较。
直接将该位作为有效性和索引输出。

⚠️ 超出范围处理

if (unsigned'(k) * 2 > WIDTH - 1) begin : g_out_of_range
  assign sel_nodes[2 ** level - 1 + k] = 1'b0;
  assign index_nodes[2 ** level - 1 + k] = '0;
end

🧱 若 k*2 > WIDTH-1，说明越界，当前节点应标记为无效，索引设为 0。

🌳 非最后层（递归合并）

end else begin : g_not_last_level
  for (genvar l = 0; l < 2 ** level; l++) begin : g_level
    assign sel_nodes[2 ** level - 1 + l] =
        sel_nodes[2 ** (level + 1) - 1 + l * 2] |
        sel_nodes[2 ** (level + 1) - 1 + l * 2 + 1];

    assign index_nodes[2 ** level - 1 + l] =
        (sel_nodes[2 ** (level + 1) - 1 + l * 2] == 1'b1)

🧠 核心递归：

合并两棵子树的有效性：若有任一子树有效（有 1），则当前节点有效。
若左子树有效，则当前索引为左索引；否则取右。

这一过程持续到整个树顶端（level 0）为止，最终 index_nodes[0] 就是整个输入中最先为 1 的位的位置。

是否继续分析最后一部分逻辑（根节点输出赋值 cnt_o, empty_o），以及结束模块？

我们现在分析 lzc.sv 的最后部分，主要完成归约树的最终输出：即得到前导/尾部零的个数 cnt_o 和是否为空 empty_o。

✅ 行 101–102：选择最终索引节点

? index_nodes[2 ** (level + 1) - 1 + l * 2] :
  index_nodes[2 ** (level + 1) - 1 + l * 2 + 1];

🔍 若左子树有效，则选择左侧节点的 index，否则选择右侧的。

这完成了对 index_nodes 的归并，确保最终 index_nodes[0] 是整个输入中最先为 1 的位置索引。

🟢 行 106：输出 `cnt_o`

assign cnt_o = NumLevels > unsigned'(0) ? index_nodes[0] : {(cf_math_pkg::clog(WIDTH)) {1'b0}};

🧠 输出说明：

若树深大于 0（即 WIDTH > 1），cnt_o 输出最终合并的索引。
否则设为全 0。

这里使用 cf_math_pkg::clog(WIDTH) 表示按最大位宽初始化。

🚩 行 107：输出 `empty_o`

assign empty_o = NumLevels > unsigned'(0) ? ~sel_nodes[0] : ~(|in_i);

若树深 > 0，则输出树根节点的 sel_nodes[0] 是否无效（即输入全 0）
否则直接对输入 in_i 求或，判断是否为空

🔚 行 109–111：模块结构结尾

end : gen_lzc
endmodule : lzc

结束 gen_lzc generate 块与整个模块定义。

✅ 总结：模块功能

输出	含义
`cnt_o`	输入中第一个 `1` 的位置索引
`empty_o`	输入是否全为 `0`

该模块通过层层归约构建出前导/尾部零的精确位置，并兼容任意位宽，具备高度可综合性和可配置性。

是否将该 lzc.sv 模块转换为标准 Verilog-2001（去除 logic, generate, 包引用等）？还是继续下一个模块分析？

posted @ 2025-05-04 16:17 江左子固阅读(48) 评论(0) 收藏举报

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📄 文件前几行：版权信息

🔍 行 15–20：模块功能说明

✅ 举例说明（第 20 行）

📄 行 21–23：更多使用示例注释

📄 行 24–25：模拟优化说明

🧱 行 26：模块开始

⚙️ 行 27–33：模块参数定义

🧩 行 34：端口列表开始

🧮 行 35–37：输入输出端口声明

🔁 行 61–63：声明反转后的临时向量

🔄 行 64–68：反转操作

🔣 行 70–72：构造 index LUT

🧱 行 74–75：构造归约层

🔁 行 76–80：具体树节点归约（部分）

🍃 最底层归约（处理输入向量）

⚠️ 边界处理：只有一个元素时

⚠️ 超出范围处理

🌳 非最后层（递归合并）

✅ 行 101–102：选择最终索引节点

🟢 行 106：输出 `cnt_o`

🚩 行 107：输出 `empty_o`

🔚 行 109–111：模块结构结尾

✅ 总结：模块功能

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⚙️ 行 27–33：模块参数定义

🧩 行 34：端口列表开始

🧮 行 35–37：输入输出端口声明

🔁 行 61–63：声明反转后的临时向量

🔄 行 64–68：反转操作

🔣 行 70–72：构造 index LUT

🧱 行 74–75：构造归约层

🔁 行 76–80：具体树节点归约（部分）

🍃 最底层归约（处理输入向量）

⚠️ 边界处理：只有一个元素时

⚠️ 超出范围处理

🌳 非最后层（递归合并）

✅ 行 101–102：选择最终索引节点

🟢 行 106：输出 cnt_o

🚩 行 107：输出 empty_o

🔚 行 109–111：模块结构结尾

✅ 总结：模块功能

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🟢 行 106：输出 `cnt_o`

🚩 行 107：输出 `empty_o`