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Verilog自适应位宽与指定位宽不同导致模块无法正常执行

news 来源：原创 2025/6/15 6:36:25

Verilog自适应位宽与固定位宽的不兼容问题

问题起源

我在写verilog代码的时候，有两个模块shifter和round，参数化的shifter模块已经通过了测试，round模块是shifter的上层模块，对round模块进行16位测试的时候，顺利通过测试，但是在进行24位测试的时候发现仿真总是报一大堆红色的叉：
在这里插入图片描述

排错流程

首先怀疑round写错了，但是反复查阅文献和公式，发现并没有错误，因此进一步怀疑是shifter出错了，再一次测试shifter的24位执行情况，发现shifter参数化执行得非常好，无论是多少位的测试都能正确执行，于是明确了：

shifter模块完全正确，通过测试，错误只有可能是round里面发生的。

因而再次检视round的代码，其中x_out的结果由三个通过shifter计算得到的变量共同计算得出，于是将这三个变量的值也设置为round的输出展示出来（也就是图中的a,b,c），以便检错，仿真运行得到的结果如图：
在这里插入图片描述
可见，三个通过shifter计算得到的变量也是红色的叉，这表明shifter模块并未能正确计算出这些值，前面已经得到结论：
shifter模块完全正确，通过测试，错误只有可能是round里面发生的。
但是，现有条件可以推断出：shifter模块并未能正确计算出这些值

综上，错误范围可以进一步缩小，应该在round调用shifter的过程中出现了问题！

检错步骤

重新检视round的代码，发现对shifter的调用中似乎出现了问题：
在这里插入图片描述
再确认shifter中对参数的描述：

这里面显然，shifter模块的shifter_amount变量属于自适应位宽的值，然而round在调用的过程中，指定了1，8，2的位宽为4位，当参数n=24时，传入shifter会自适应地计算shifter_amount的位宽，也就是24取对数，那么位宽就是5，这与调用shifter时传入的参数4'd8（指明位宽为4）不同，因而导致了shifter模块执行出错。
至此，得到了问题的关键：
round模块在调用shifter时，提供了指定位宽的变量，然而shifter在获取该变量时设定了自适应位宽，从而导致了shifter模块失效，最终造成了round模块输出结果全是红叉的问题。

问题解决

在round模块中，将指定的位宽值去掉：

  //decryption  shifter #(n) S1 (y_in, 1'b0, 1, S1_sig_1);shifter #(n) S2 (y_in, 1'b0, 8, S8_sig_1);shifter #(n) S3 (y_in, 1'b0, 2, S2_sig_1);//encryptionshifter #(n) S11 (x_in, 1'b0, 1, S1_sig_0);shifter #(n) S22 (x_in, 1'b0, 8, S8_sig_0);shifter #(n) S33 (x_in, 1'b0, 2, S2_sig_0);

再次执行仿真，结果如下图，可以见得红叉没有了：
在这里插入图片描述
使用c语言编写执行相同操作的代码：

void RoundCaculate(mpz_t x_in, mpz_t y_in, mpz_t key, mpz_t x_out, mpz_t y_out, int width, bool mode) {mpz_t s1, s2, s8;mpz_init(s1);mpz_init(s2);mpz_init(s8);if (mode)//mode=1进行加密，mode=0进行解密{//加密操作shifter(s1, x_in, 1, 0, width);shifter(s2, x_in, 2, 0, width);shifter(s8, x_in, 8, 0, width);mpz_and(x_out, s1, s8);mpz_xor(x_out, x_out, y_in);mpz_xor(x_out, x_out, s2);mpz_xor(x_out, x_out, key);mpz_set(y_out, x_in);}else {//解密操作shifter(s1, y_in, 1, 0, width);shifter(s2, y_in, 2, 0, width);shifter(s8, y_in, 8, 0, width);mpz_and(y_out, s1, s8);mpz_xor(y_out, y_out, x_in);mpz_xor(y_out, y_out, s2);mpz_xor(y_out, y_out, key);mpz_set(x_out, y_in);}//gmp_printf("\n%Zx\n%Zx\n%Zx\n",s1,s2,s8);mpz_clear(s1);mpz_clear(s2);mpz_clear(s8);
}