【SystemVerilog基础】SystemVerilog语法之逻辑等（==）、全等（===）和匹配等（==?）

MoorePlus

于 2025-03-17 22:26:23 发布

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分类专栏：数字IC验证百宝箱文章标签：经验分享面试数字IC 芯片验证 SV

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有感：作为硅农，我们的世界不仅仅是0和1的苟且，还有x和z的恐惧。

前言

首先，来认识一下这几个符号的等于和不等的写法：

逻辑等（==）和逻辑不等（!=）
全等（===）和不全等（!==）
通配符等于（==?）和通配符不等（!=?）

在这里插入图片描述
其次，再复习一下基本的单比特与运算、或运算，其真值表如下：

在这里插入图片描述

乍一看，似乎还挺复杂的不是嘛，其实还是有规律可循的。首先由输出结果可知，四值逻辑运算的结果只有0、1和x，并且与常量0和1运算时，仍然满足逻辑代数的基本公式：0 · A = 0、1 · A = A、0 + A = A、1 + A = 1；以及满足公式：A · A = A、A + A = A。总结下来，最重要的就是两句话：

0与上任何值都等于0；
1或上任何值都等于1。

一、逻辑等（`==`）和逻辑不等（`!=`）

逻辑等（==）和逻辑不等（!=）是我们在开发中用的最多的，它的返回结果在SystemVerilog中有三种：0、1和x。

针对单比特的逻辑等和逻辑不等运算有如下表格：

在这里插入图片描述

针对多比特的逻辑等和逻辑不等运算有如下代码：

  $display("%b == %b : %b", 4'b1010, 4'b1011, 4'b1010 == 4'b1011); // 0
  $display("%b != %b : %b", 4'b1010, 4'b1011, 4'b1010 != 4'b1011); // 1

  $display("%b == %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b1010 == 4'b10x0); // x
  $display("%b == %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b1010 == 4'b10x1); // 0 注意!注意!注意!
  $display("%b != %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b1010 != 4'b10x0); // x
  $display("%b != %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b1010 != 4'b10x1); // 1

  $display("%b == %b : %b", 4'b1x10, 4'b1x10, 4'b1x10 == 4'b1x10); // x
  $display("%b == %b : %b", 4'b1z10, 4'b1x10, 4'b1z10 == 4'b1x10); // x
  $display("%b != %b : %b", 4'b1x10, 4'b1x10, 4'b1x10 != 4'b1x10); // x
  $display("%b != %b : %b", 4'b1z10, 4'b1x10, 4'b1z10 != 4'b1x10); // x

如何去理解逻辑等和逻辑不等运算呢？

我之前是这样理解的：只要比较中含有x或z，那么输出就是x。（注意，这是我之前错误的理解！）显然，这个理解可以直接用反例： 4'b1010 == 4'b10x1 // 输出0 来打脸！

既然上述理解是错误的，那么应该如何正确理解呢？莫急，且听我娓娓道来！

实际上，多比特逻辑等和逻辑不等的运算规则很简单，都是逐位比较操作数（bit for bit）。对于逻辑等比较，对逐位“逻辑等”比较的结果再进行与运算；而对于逻辑不等比较，对逐位“逻辑不等”比较的结果再进行或运算。
比如：4'b1010 == 4'b10x1，则等价于(1'b1 == 1'b1) & (1'b0 == 1'b0) & (1'b1 == 1'bx) & (1'b0 == 1'b1)，即1'b1 & 1'b1 & 1'bx & 1'b0，所以结果为1'b0。
再比如：4'b1010 != 4'b10x1，则等价于(1'b1 != 1'b1) | (1'b0 != 1'b0) | (1'b1 != 1'bx) | (1'b0 != 1'b1)，即1'b0 | 1'b0 | 1'bx | 1'b1，所以结果为1'b1。

二、全等（`===`）和不全等（`!==`）

全等，“全”顾名思义就是会去匹配四种状态值：0、1、x、z，它的返回结果有两种：0和1。

针对单比特的全等和不全等运算有如下表格：
针对多比特的全等和不全等运算有如下代码：

  $display("%b === %b : %b", 4'b1010, 4'b1011, 4'b1010 === 4'b1011); // 0
  $display("%b !== %b : %b", 4'b1010, 4'b1011, 4'b1010 !== 4'b1011); // 1

  $display("%b === %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b1010 === 4'b10x0); // 0
  $display("%b === %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b1010 === 4'b10x1); // 0
  $display("%b !== %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b1010 !== 4'b10x0); // 1
  $display("%b !== %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b1010 !== 4'b10x1); // 1

  $display("%b === %b : %b", 4'b1x10, 4'b1x10, 4'b1x10 === 4'b1x10); // 1
  $display("%b === %b : %b", 4'b1z10, 4'b1x10, 4'b1z10 === 4'b1x10); // 0
  $display("%b !== %b : %b", 4'b1x10, 4'b1x10, 4'b1x10 !== 4'b1x10); // 0
  $display("%b !== %b : %b", 4'b1z10, 4'b1x10, 4'b1z10 !== 4'b1x10); // 1

重要结论：对于=== 和 !==的输出多比特输出比较容易理解，只有0和1嘛，每一位都匹配上是1，否之为0！

对于全等和全不等，记住上述结论就够用了，但为了更加深刻的理解，这里稍稍引申一下。

实际上，不仅仅多比特逻辑等和逻辑不等的运算规则满足逐位比较，多比特全等和不全等的运算规则也满足逐位比较，即：对于全等比较，对逐位全等比较的结果再进行与运算；而对于不全等比较，对逐位不全等比较的结果再进行或运算。
比如：4'b1010 === 4'b10x0，则等价于(1'b1 === 1'b1) & (1'b0 === 1'b0) & (1'b1 === 1'bx) & (1'b0 === 1'b0)，即1'b1 & 1'b1 & 1'b0 & 1'b1，所以结果为1'b0。
再比如：4'b1010 !== 4'b10x1，则等价于(1'b1 !== 1'b1) | (1'b0 !== 1'b0) | (1'b1 !== 1'bx) | (1'b0 !== 1'b1)，即1'b0 | 1'b0 | 1'b1 | 1'b1，所以结果为1'b1。

三、匹配等（`==?`）和匹配不等（`!=?`）

匹配等（==?）和匹配不等（!=?）是同样也是逐位比较的，返回结果有三种：0、1和x。

需要特别注意的是：“匹配等”仅仅可以把右侧操作数中的 x和z 当做 0/1 来匹配左侧操作数中的 0/1，当然了右侧 x/z 可以对应匹配左侧的 x/z（无序）。说着可能有点拗口，看下面的表格便一目了然了！

针对单比特的“匹配等”和“匹配不等”运算有如下表格（注意：需要区分操作数在运算符的哪一侧！）：

在这里插入图片描述

针对多比特的“匹配等”和“匹配不等”运算有如下代码：

  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1010, 4'b1011, 4'b1010 ==? 4'b1011); // 0
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1010, 4'b1011, 4'b1010 !=? 4'b1011); // 1

  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b1010 ==? 4'b10x0); // 1
  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b1010 ==? 4'b10x1); // 0
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b1010 !=? 4'b10x0); // 0
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b1010 !=? 4'b10x1); // 1

  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b10x0 ==? 4'b1010 ); // x
  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b10x1 ==? 4'b1010 ); // 0
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x0, 4'b10x0 !=? 4'b1010 ); // x
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1010, 4'b10x1, 4'b10x1 !=? 4'b1010 ); // 1

  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1x10, 4'b1x10, 4'b1x10 ==? 4'b1x10); // 1
  $display("%b ==? %b : %b", 4'b1z10, 4'b1x10, 4'b1z10 ==? 4'b1x10); // 1
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1x10, 4'b1x10, 4'b1x10 !=? 4'b1x10); // 0
  $display("%b !=? %b : %b", 4'b1z10, 4'b1x10, 4'b1z10 !=? 4'b1x10); // 0

同前面介绍的逻辑(不)等、(不)全等一样，匹配等也满足逐位比较的运算规则：

结论：对于“匹配等”比较，对逐位“匹配等”比较的结果再进行与运算；而对于“匹配不等”比较，对逐位“匹配不等”比较的结果再进行或运算。
比如：4'b1010 ==? 4'b10x0，则等价于(1'b1 ==? 1'b1) & (1'b0 ==? 1'b0) & (1'b1 ==? 1'bx) & (1'b0 ==? 1'b0)，即1'b1 & 1'b1 & 1'b1 & 1'b1，所以结果为1'b1。
再比如：4'b10x0 !=? 4'b1010，则等价于(1'b1 !=? 1'b1) | (1'b0 !=? 1'b0) | (1'bx !=? 1'b1) | (1'b0 !=? 1'b0)，即1'b0 | 1'b0 | 1'bx | 1'b0，所以结果为1'bx。
再比如：4'b10x1 !=? 4'b1010，则等价于(1'b1 !=? 1'b1) | (1'b0 !=? 1'b0) | (1'bx !=? 1'b1) | (1'b1 !=? 1'b0)，即1'b0 | 1'b0 | 1'bx | 1'b1，所以结果为1'b1。

四、总结

综上，无论是逻辑等（==）、全等（===）还是匹配等（==?），都遵循按位比较原则，即：对于相等比较，对逐位比较的结果再进行与运算；而对于不等比较，对逐位比较的结果再进行或运算。

参考

附录

单比特运算测试代码（以“逻辑等”为例，其他运算类比替换即可）：

logic v[4] = '{1'b0, 1'b1, 1'bz, 1'bx};
initial begin
  foreach(v[i])
    foreach(v[j])
      $display("%b == %b : %b", v[i], v[j], v[i] == v[j]);
end