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Verilog 文件操作
Verilog 提供了很多可以对文件进行操作的系统任务。经常使用的系统任务主要包括：
- 文件开、闭：$fopen, $fclose, $ferror
- 文件写入：$fdisplay, $fwrite, $fstrobe, $fmonitor
- 字符串写入：$sformat, $swrite
- 文件读取：$fgetc, $fgets, $fscanf, $fread
- 文件定位：$fseek, $ftell, $feof, $frewind
- 存储器加载：$readmemh, $readmemb
使用文件操作任务（尤其注意 $sforamt, $gets, $sscanf 等）对文件进行操作时，需要根据文件性质和变量内容确定使用哪一种系统任务，并保证参数及读写变量类型与文件内容的一致性，不要将字符串类型和多进制类型相混淆。
1. 文件打开/关闭
| 系统任务 | 调用格式 | 任务描述 |
|---|---|---|
| 文件打开 | fd = $fopen("fname", mode) ; | fname 为打开文件的名字fd 为返回的 32bit 文件描述符--- 正确打开时，fd 为非零值--- 打开出错时，fd为零值mode 用于指定文件打开的方式 |
| 文件关闭 | $fclose(fd) ; | 关闭 fd 描述的对应文件 |
| 文件错误 | err = $ferror(fd, str) ; | 正常打开文件时：--- err 与 str 均为零值，打开文件出错时：--- err 返回非零值表示错误--- str 返回非零值存储错误类型--- 官方建议 str 长度为 640bit 位宽 |
举例代码如下：
//open/close file
integer fd1, fd2 ;
integer err1, err2 ;
reg [320:0] str1, str2 ; //错误类型的变量也可以为可支持的 string 类型
initial begin
//existing file
fd1 = $fopen("./DATA_RD.HEX", "r"); //打开存在的文件
err1 = $ferror(fd1, str1);
$display("File1 descriptor is: %h.", fd1 );//非零值
$display("Error1 number is: %h.", err1 ); //0
$display("Error2 info is: %s.", str1 ); //0
$fclose(fd1);
//not existing file
fd2 = $fopen("../../FILE_NOEXIST.HEX", "r");//打开的文件不存在
err2 = $ferror(fd2, str2);
$display("File2 descriptor is: %h.", fd2 ); //0
$display("Error2 number is: %h.", err2 ); //非零值
$display("Error2 info is: %s.", str2 ); //非零值
$fclose(fd2);
end
文件打开方式 mode 类型及其描述如下：
| r | 只读打开一个文本文件，只允许读数据。 |
|---|---|
| w | 只写打开一个文本文件，只允许写数据。如果文件存在，则原文件内容会被删除。如果文件不存在，则创建新文件。 |
| a | 追加打开一个文本文件，并在文件末尾写数据。如果文件如果文件不存在，则创建新文件。 |
| rb | 只读打开一个二进制文件，只允许读数据。 |
| wb | 只写打开或建立一个二进制文件，只允许写数据。 |
| ab | 追加打开一个二进制文件，并在文件末尾写数据。 |
| r+ | 读写打开一个文本文件，允许读和写 |
| w+ | 读写打开或建立一个文本文件，允许读写。如果文件存在，则原文件内容会被删除。如果文件不存在，则创建新文件。 |
| a+ | 读写打开一个文本文件，允许读和写。如果文件不存在，则创建新文件。读取文件会从文件起始地址的开始，写入只能是追加模式。 |
| rb+ | 读写打开一个二进制文本文件，功能与 "r+" 类似。 |
| wb+ | 读写打开或建立一个二进制文本文件，功能与 "w+" 类似。 |
| ab+ | 读写打开一个二进制文本文件，功能与 "a+" 类似。 |
2. 文件写入
写文件的系统任务主要包括：$fdisplay, $fwrite, $fstrobe, $fmonitor，以及它们对应的自带格式的系统任务 $fdisplayb, $fdisplayh, $fdisplayo 等。
| 调用格式 | 任务描述 |
|---|---|
| $fdisplay(fd, arguments) ; | 按顺序或条件写文件，自动换行 |
| $fwrite(fd, arguments) ; | 按顺序或条件写文件，不自动换行 |
| $fstrobe(fd, arguments) ; | 语句执行完毕后选通写文件 |
| $fmonitor(fd, arguments) ; | 只要数据有变化就写文件 |
相对于标准显示任务 $display, $write, $strobe, $monitor，写文件系统任务除了用法格式上需要多指定文件描述符 fd，其余打印条件、时刻特性等均与其对应的显示任务保持一致。
利用追加写的方式，对文件进行写操作的举例如下：
//(2) write file
integer fd ;
integer err, str ;
initial begin
fd = $fopen("./DATA_RD.HEX", "a+"); //末尾追加的方式打开
err = $ferror(fd, str);
if (!err) begin
$fdisplay(fd, "New data1: %h", fd) ;
$fdisplay(fd, "New data2: %h", str) ;
$fdisplay(fd, "New data3: %h", err) ;
//$write(fd, "New data3: %h", err) ; //最后一行不换行打印
end
$fclose(fd);
end
打开文件 DATA_RD.HEX，则可以看到文件末端新增了 3 行数据。
3. 字符串写入
Verilog 还提供了往字符串里写数据的系统任务 $swrite 和 $sformat。
| 调用格式 | 任务描述 |
|---|---|
| $swrite(reg, list_of_arguments) ; | 按顺序或条件写字符串到变量 reg 中 |
| len = $sformat(reg, format_str, arguments) ; | 按格式 format_str 写字符串到变量 reg 中格式与 $display 指定格式时一致不建议省略第二个参数 format_str可返回字符串长度 len |
$sformat 第二个参数 format 为字符串类型，一般建议不要省略。该参数指定了输入变量的类型，指定类型时也可以包含其他字符串信息，类型种类及用法可参考显示函数 $display。该参数也可以为寄存器类型，但要求存储的数据为正常的字符串数据。
写字符串代码举例如下：
//(3) write string
reg [299:0] str_swrite, str_sformat;
reg [63:0] str_buf ;
integer len, age ;
initial begin
#20 ;
str_buf = "runoob!" ;
age = 9 ;
//$swrite 指定格式写包含变量的字符串
$swrite(str_swrite, "%s age is %d", str_buf, age) ;
$display("%s", str_swrite);
//$swrite 直接写不含有变量的字符串
$swrite(str_swrite, "years ", "old.") ;
$display("%s", str_swrite);
//$swrite 不指定格式写包含变量的字符串，不建议
$swrite(str_swrite, age) ;
$display("$swrite err test: %d", str_swrite);
$display();
//$sformat 指定格式写包含变量的字符串
$sformat(str_sformat, "I have learnt in %s", str_buf) ;
$display("%s", str_sformat);
//$sformat 直接写不含有变量的字符串，并获取字符串长度
len = $sformat(str_sformat, "for 4 years!") ;
$display("%s", str_sformat);
$display("$sformat len: %d", len);
//$sformat 直接一次写多个不含有变量的字符串，不建议
$sformat(str_sformat, "for", "4", "years!") ;
$display("$sformat err test: %s", str_sformat);
end
忽略打印信息的空格，调试信息输出如下：
由此可知，$sformat 与 $swrite 用法可以一致，例如 $sformat 可采用指定格式的写字符串，或只写一次不含变量的字符串。此时 $sformat 相当于在第二个参数中未指定变量类型，所以第三个参数应该忽略不写。
$swrite 还可以一次写多个不包含变量的字符串，而 $sformat 不允许如此调用。
也建议，使用 $swrite 写包含变量的字符串时要指定变量类型，否则结果可能不可预测。
4. 文件读取
| 系统任务 | 调用格式及说明 | |
|---|---|---|
| 按字符读文件 | c = $fgetc( fd ) ; | |
| 按字符格式将 fd 数据输出给变量 c，c 位宽最少为 8读取错误时 c 值为 EOF(-1)，可以用 $ferror 检查错误类型 | ||
| 按字符写缓冲区 | code = $ungetc(c, fd ) ; | |
| 向文件 fd 缓冲区写字符 cc 值在下次调用 $fgetc 时返回，文件 fd 自身内容不会发生变化正常写缓冲时返回值 code 为 0，发生错误时返回值 code 为 EOF | ||
| 按行读文件 | code = $fgets(str, fd) | |
| 按字符连续读，直至变量 str 被填满，或一行内容读取完毕，或文件结束正常读取时返回值 code 为读取行数（次数），发生错误时 code 为 0 | ||
| 按格式读文件 | code = $fscanf(fd, format, args) ; | |
| 按格式 format 将文件 fd 中的数据读取到变量 args 中format 可参考 $display 指定格式说明读取一次的停止条件为空格或换行读取发生错误时返回值 code 为 0 | ||
| 按格式读字符串 | code = $sscanf(str, format, args) ; | |
| 按格式 format 将字符串型变量 str 读取到变量 args 中调用格式方法和 $fscanf 一致 | ||
| 按二进制读文件 | code = $fread(store, fd, start, count) ; | |
| 按二进制数据流格式将数据从文件 fd 读取到数组或寄存器变量 store 中start 为文件起始地址，count 为读取长度若 start/count 未指定，数据会全部填充至变量 store 中若 store 为寄存器类型，则 start/count 参数无效，store 变量填充满一次数据后便会停止读取 |
c0dec0de 5555aaaa 12345678 aaaa5555 New data1: 80000003 New data2: 00000000 New data3: 00000000
$fgetc，$ungetc 调用举例
//(4.1) read char
integer i ;
reg [31:0] char_buf ;
initial begin
#30 ;
fd = $fopen("DATA_RD.HEX", "r");
$write("Read char: ");
err = $ferror(fd, str);
if (!err) begin
for (i=0; i<13; i++) begin
char_buf[7:0] = $fgetc(fd) ; //按单个字符读取
$write("%c", char_buf[7:0]) ; //不换行逐次打印单个字符
end
$write(".\n") ;
end
$ungetc("1", fd) ; //连续写3次文件缓冲区
$ungetc("2", fd) ;
$ungetc("3", fd) ;
char_buf[7:0] = $fgetc(fd) ; //read 3
char_buf[15:8] = $fgetc(fd) ; //read 2
char_buf[23:16] = $fgetc(fd) ; //read 1，read buffer end
char_buf[31:24] = $fgetc(fd) ; //read a
$display("Read char after $ungetc: %s", char_buf);
$fclose(fd);
end
仿真结果如下。
由图可知，$fgetc 读取的 13 个字符正确，读取字符包括了换行符。
$ungetc 向文件缓冲区写字符数据后，再用 $fgetc 可读取文件缓冲区的字符数据。读写遵循先写后出（FILO, First in Last out）原则，相当于压栈。字符数据先写"123"时，读出数据为"321"。
文件缓冲区读取完毕后，再进行字符数据读取时，读出的数据依然紧随上一次文件读取的位置，即 log 中"a123"中的字符"a"。
此过程中，文件 DATA_RD.HEX 内容一直没有改变。
$fgets 调用举例
//(4.2) read line
integer code ;
reg [99:0] line_buf [9:0] ;
initial begin
#31 ;
fd = $fopen("DATA_RD.HEX", "r");
err = $ferror(fd, str);
if (!err) begin
for (i=0; i<6; i++) begin //按字符串格式逐行读取
code = $fgets(line_buf[i], fd) ; //末尾含"\n"，将打印2行
$display("Get line data%d: %s", i, line_buf[i]) ;
end
end
//十六进制显示，将显示对应的 ASCIII 码字
$display("Show hex line data%d: %h", 2, line_buf[2]) ;
$display("Show hex line data%d: %h", 4, line_buf[4]) ;
$fclose(fd) ;
end
仿真结果如下。
前 4 行数据按照字符串类型读取和显示，结果正常。
读取文件第 5 行数据时，由于变量 line_buf 位宽 100 的限制，文件内容"New data1: 80000003 "需要分 2 次才能完成读取。
因为每一行末尾包含换行符"\n"，所以使用 $display 函数打印时，会多出一行空行。
按照字符串型读取、并对数据进行十六进制显示时，并不能直观的显示出文件对应的数据内容。例如第二行内容并没有显示"12345678,"而是显示其对应的 ASCII 码。所以 $fgets 任务读取时是按照字符串类型读取的，这里需要注意。
$fscanf，$sscanf 调用举例
//(4.3) $fscanf/$sscanf
reg [31:0] data_buf [9:0] ;
reg [63:0] string_buf [9:0] ;
reg [31:0] data_get ;
reg [63:0] data_test ;
initial begin
#32 ;
fd = $fopen("DATA_RD.HEX", "r");
err = $ferror(fd, str);
if (!err) begin
for (i=0; i<4; i++) begin
//前4行数据按照十六进制读取和显示
code = $fscanf(fd, "%h", data_buf[i]);
$display("$fscanf read data%d: %h", i, data_buf[i]) ;
end
for (i=4; i<6; i++) begin
//后2行数据按照字符串类型读取和显示
code = $fscanf(fd, "%s", string_buf[i]);
$display("$fscanf read data%d: %s", i, string_buf[i]) ;
end
end
//(1) $sscanf 源变量 data_test 为字符串类型
data_test = "fedcba98" ;
code = $sscanf(data_test, "%h", data_get);
$display("$sscanf read data0: %h", data_get) ;
//(2) $sscanf: 将源变量 data_test 先转为字符串变量
code = $sformat(data_test, "%h", data_buf[2]);
code = $sscanf(data_test, "%h", data_get);
//直接输入十六进制变量是不建议的
//code = $sscanf(data_buf[2], "%h", data_get);
$display("$sscanf read data0: %h", data_get) ;
$fclose(fd) ;
end
仿真结果如下。
利用 $fscanf 对文件前 4 行内容按照十六进制读取和显示，后 2 行内容按照字符串型读取和显示，均正常。
利用 $sscanf 读取源寄存器内容然后搬移到目的寄存器时，源寄存器中的内容应该为字符串型数据。
例如，利用 $sscanf 将十六进制的数据 data_buf[2] 搬移到寄存器变量 data_get 时，可以先利用写字符串任务 $sformat 将源变量 data_buf[2] 的内容转为字符串型，存放在变量 data_test 中。然后再利用 $sscanf 按照十六进制将 data_test 中的内容搬移到变量 data_get 中。此时按照十六进制格式打印变量 data_get 会显示正常。
如果直接利用 $sscanf 将十六进制格式的数据 data_buf[2] 直接搬移到变量 data_get 中，则 data_get 中的内容将会是异常的。
偷偷告诉你，寄存器之间是可以直接赋值的！！！
$fread 调用举例
//(4.4) $fread
reg [71:0] bin_buf [3:0] ; //每行有8个字型数据和1个换行符
reg [143:0] bin_reg ;
initial begin
#40 ;
fd = $fopen("DATA_RD.HEX", "r");
err = $ferror(fd, str);
if (!err) begin
code = $fread(bin_buf, fd, 0, 4); //数组型读取，读取4次
$display("$fread read data %h", bin_buf[0]) ;//十六进制显示
$display("$fread read data %h", bin_buf[1]) ;
$display("$fread read data %s", bin_buf[2]) ;//字符串显示
$display("$fread read data %s", bin_buf[3]) ;
end
fd = $fopen("DATA_RD.HEX", "r");
code = $fread(bin_reg, fd); //单个寄存器读取
$display("$fread read data %h", bin_reg) ;
$fclose(fd) ;
end
仿真结果如下。
$fread 按二进制读取文件时 ，起始地址和读取长度都是设置数组型变量的参数。
如果存储数据的变量类型是非数组的 reg 型，则只会进行一次读取，直至 reg 型变量被填充完毕。
5. 文件定位
| 系统任务 | 调用格式 | 任务描述 |
|---|---|---|
| 获取文件位置 | pos = $ftell( fd ) ; | 返回文件当前位置距离文件首部的偏移量，初始地址为 0偏移量按照字节为一单位（8bits）配合 $fseek 使用 |
| 重定位 | code = $fseek(fd, offset, type) ; | 设置文件下一个输入或输出的位置offset 为设置的偏移量type 为偏移量的操作类型--- 0: 设置位置到偏移地址--- 1: 设置位置到当前位置加偏移量--- 2: 设置位置到文件尾加偏移量，经常使用负数来表示文件尾向前的偏移量 |
| 无偏移重定位 | code = $rewind( fd ) ; | 等价于 $fseek( fd, 0, 0) ; |
| 判断文件尾部 | code = $feof(fd) ; | 判读是否到文件尾部检测到文件尾部时返回值为 1，否则为 0 |
文件 DATA_RD.HEX 内容可表示如下。
换行符"\n"为结束符，则文件大小为：4x9 + 3x20 = 96 byte。
文件定位测试代码如下：
// file position
reg [31:0] data4 ; //寄存器变量长度为 4bytes
reg [199:0] str_long ;
integer pos ;
initial begin
#40 ;
fd = $fopen("DATA_RD.HEX", "r");
err = $ferror(fd, str);
if (!err) begin
//first read
code = $fscanf(fd, "%h", data4);//从0位置开始读
pos = $ftell(fd); //读8byte后位置为8,坐标为(0,8)
$display("Position after read: %d", pos) ;
$display("1st read data: %h", data4) ;
//type = 0
code = $fseek(fd, 4, 0) ; //从位置4、坐标(0,4)开始读
code = $fscanf(fd, "%h", data4); //读到换行符停止
pos = $ftell(fd); //读4byte后位置为8,坐标为(0,8)
$display("type 0: current position: %d", pos) ;
$display("type 0: read data: %h", data4) ;
//type = 1
code = $fseek(fd, 4, 1) ; //从位置4+9=12、坐标(1,3)据开始读
code = $fscanf(fd, "%h", data4); //读到换行符停止
pos = $ftell(fd); //读5byte后位置为17，坐标为(1,8)
$display("type 1: current position: %d", pos) ;
$display("type 1: read data: %h", data4) ;
//type = 2
code = $fseek(fd, -(96-31), 2) ; //从位置31、坐标(3,4)开始读
code = $fscanf(fd, "%h", data4);
pos = $ftell(fd); //读4byte后位置为35，坐标为(3,8)
$display("type 2: current position: %d", pos) ;
$display("type 2: read data: %h", data4) ;
//rewind read
code = $rewind(fd) ;//重新将文件指针的位置指向文件首部
pos = $ftell(fd); //此时位置为 0
$display("Position after $rewind: %d", pos) ;
//read all content of file
while (!$feof(fd)) begin
code = $fgets(str_long, fd);
$write("Read : %s", str_long) ;
end
$fclose(fd) ;
end
end
仿真结果如下。
由图可知 log 末尾多打了一行数据，这是因为文件 DATA_RD.TXT 末尾还有一行空白行（换行操作之后的结果），系统任务 $feof 并不认为该空白行为文件尾部，所以返回值仍然为 0。但实际该行并没有数据，所以读取的数据具有不可控制性。
为消除文件最后一行数据中换行符的影响，可将"文件写入"例子中最后一个写文件系统任务 $fdisplay 替换为 $write 。
其余 log 结合代码注释可知仿真正确，这里不再做统一解释。
6. 加载存储器
| 系统任务 | 调用格式及说明 | |
|---|---|---|
| 加载十六进制文件 | $readmemh("fname", mem, start_addr, finish_addr) | |
| fname 为数据文件名字mem 为数组型/存储器型变量start_addr、finish_addr 分别为起始地址和终止地址start_addr、finish_addr 可以省略，此时加载数据的停止条件为存储器变量 mem 被填充完毕，或文件读取完毕文件内容只应该有空白符（或换行、空格符）、二进制或十六进制数据注释用"//"进行标注，数据间建议用换行符区分 | ||
| 加载二进制文件 | $readmemb("fname", mem, start_addr, finish_addr) | |
| 用法格式同 $readmemb |
文件 DATA_WITHNOTE.HEX 内容如下，将此文件的内容加载到存储器变量中。
举例代码如下：
//6 load mem
reg [31:0] mem_load [3:0] ;
initial begin
#50 ;
$readmemh("./DATA_WITHNOTE.HEX", mem_load);
$display("Read memory1: %h", mem_load[0]) ;
$display("Read memory2: %h", mem_load[1]) ;
$display("Read memory3: %h", mem_load[2]) ;
$display("Read memory4: %h", mem_load[3]) ;
end
仿真结果如下：
下一章：Verilog 随机数及概率分布
Verilog 中使用系统任务 $random(seed) 产生随机数，seed 为随机数种子。seed 值不同，产生的随机数也不同。如果 seed 相同，产生的随机数也是一样的。可以为 seed 赋初值， ...