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前言

在数字电路验证与硬件设计中，SystemVerilog（SV）提供了丰富且灵活的数据结构，其中数组与队列是最常用、也最基础的数据组织方式。无论是编写测试平台（testbench）、搭建验证环境，还是进行数据建模，都离不开对它们的熟练运用。

本文将从定宽数组、动态数组、关联数组和队列四种核心数据结构入手，逐一介绍它们的声明方式、使用场景与典型操作，并对比它们之间的区别。

数据类型

• 无符号数据类型：
  • 双状态类型：
    • bit b ：双状态单bit数；
    • bit [15:0] b：双状态16bit数；
    • int unsigned b：双状态32bit无符号整数；
  • 四状态类型：
    • time b：四状态64bit无符号整数；
    • logic b：四状态1bit无符号整数；
• 有符号数据类型：
  • 双状态类型：
    • int b：双状态32bit有符号整数；
    • byte b：双状态8bit有符号整数；
    • shortint b：双状态16bit有符号整数；
    • longint b：双状态64bit有符号整数；
  • 四状态类型：
    • integer b：四状态32bit有符号整数；

定宽数组

顾名思义，定宽数组是指其元素个数在编译时即确定，不可改变。

定宽数组的声明：

// 定宽单维数组inta[0:15];// 16个整数inta[16];// 16个整数intb[6]='{6,2,9,8,6,5};// 对数组进行初始化//定宽多维数组inta[0:15][0:3];// 16*4个整数inta[16][4];// 16*4个整数

动态数组

动态数组是指其大小在运行时决定，可以动态调整其大小，这样就不会造成存储空间的浪费，因此动态数组在声明的时候使用的是空下标，使用时必须调用new[]构造符来分配空间。

intdyn[];dyn=new[6];//分配6个元素dyn[0]=8;//第一个值赋值为8dyn=new[20](dyn);// 首先分配20个新元素，并将原本的dyn数组复制给开始的6个元素，最终指向一个20个元素的数组dyn=new[100]；//分配100个新元素

• 只要基本数据类型相同，定宽数组和动态数组之间就可以互相赋值，在元素数目相同的情况下，就可以把动态数组的值复制到定宽数组中；

关联数组

关联数组使用一个索引（键）来访问数组中的元素，其索引可以是整数、字符串或其他数据类型。与定宽数组和动态数组不同，关联数组在声明时不需要指定大小，其存储空间是在使用时按需动态分配的，适合用于稀疏存储或按名字查找的场景。

// 关联数组的声明：使用 [索引类型] 指定键的类型intassoc[string];// 以字符串为键，值为整数// 赋值：通过键来写入元素assoc["apple"]=3;assoc["banana"]=5;assoc["cherry"]=8;// 遍历：foreach 会遍历关联数组中的所有键值对foreach(assoc[key])begin $display("assoc[%s] = %0d",key,assoc[key]);end// 删除：删除指定键对应的元素assoc.delete("banana");// 检查某个键是否存在if(assoc.exists("apple"))begin $display("apple 存在，值为 %0d",assoc["apple"]);end// 删除整个关联数组assoc.delete();

关联数组与动态数组的区别：

• 索引类型：关联数组的索引（键）可以是整数、字符串等任意数据类型；动态数组的索引只能是整数。
• 存储方式：关联数组按需分配存储空间，适合稀疏存储；动态数组在声明后需用new[]一次性分配连续空间。
• 大小控制：关联数组无需预先指定大小，元素随赋值自动增加；动态数组的大小由new[]显式分配，且空间连续。
• 使用场景：关联数组适合按键名查找、稀疏数据等场景；动态数组适合需要连续存储、按序号访问的场景。

队列

队列可以在任何地方增加或删除元素，其在性能上的损失比动态数组小的多。其与数组类似，可以通过索引实现对任一元素的访问。

q[$]={0,1,6,9};// 对队列进行初始化，队列初始化时不需要'q.delete(1);// 删除队列中的#1元素，执行后的结果为{1，6，9}q.push_front(2);// {2,1,6,9} 在队列前面插入q.push_back(7);// {2,1,6,9,7} 在队列后面插入q.pop_front();// {1,6,9,7} 将队列前面的数据pop出q.pop_back();// {1,6,9} 将队列后面的数据pop出q=q[1:$];// {6,9} ,$放在左边就表示最小值，放在右边就表示最大值z=q[$];// 从队列末尾取出数据,z=9q.delete();//删除队列q={};//删除队列

队列与关联数组的区别：

• 索引类型：关联数组的索引（键）可以是整数、字符串等任意数据类型，通过键直接访问元素；队列的索引只能是整数，且元素按插入顺序排列，通过序号访问。
• 存储方式：关联数组按需分配存储空间，适合稀疏存储；队列在物理上是一段连续空间，元素紧密排列。
• 插入/删除位置：关联数组通过键删除任意元素，删除后不影响其他元素；队列支持在头部（push_front/pop_front）和尾部（push_back/pop_back）高效地插入或删除元素，中间位置的插入删除性能较差。
• 遍历顺序：关联数组的遍历顺序不固定（由内部哈希决定）；队列的遍历顺序与元素插入顺序一致。
• 使用场景：关联数组适合按键名查找、稀疏数据等场景；队列适合需要按顺序处理数据、频繁在两端增删元素的场景，如 FIFO 缓冲。

常用的数组操作方法

• for循环

bit[31:0]aaa[6];for(inti=0;i<$size(aaa);i++)begin//采用$size返回数组宽度aaa[i]=i;end

• foreach循环

foreach(md[i,j])md[i][j]=0;//多维数组的下标用逗号隔开放到同一个方括号中

• 返回最大最小值

q.min();q.max();

• 去掉重复值

q.unique();

• 数组的排序

q.reverse();// 翻转q.sort();// 顺序排序q.rsort();// 倒序排序q.shuffle();// 乱序

• 数组中元素的计算

q.sum();// 计算数字内元素的和q.product();// 计算数字内元素的积q.and();// 数组内元素与q.or();// 数组内元素或q.xor();// 数组内元素异或

• 元素的查找

intlzz[]='{6,7,8,6,1,2,9},zz[$]，cc;// 下述例子中的item是缺省的名字，也可以指定为其他名字zz=lzz.findwith(item>3);// {6,7,8,6,9},找出大于3的元素zz=lzz.find_indexwith(item>3);// {0,1,2,3,6},找出大于3的元素的索引zz=lzz.find_firstwith(item%6==0);// {6},找出第一个被6整除的元素zz=lzz.find_first_indexwith(item%6==0);// {0},找出第一个被6整除的元素的索引zz=lzz.find_lastwith(item%6==0);// {6},找出最后一个被6整除的元素zz=lzz.find_last_indexwith(item%6==0);// {3},找出最后一个被6整除的元素的索引cc=lzz.sum(x)with(x>6);// {0,1,1,0,0,0,1} , c=3 , sum函数计算时用的是数组元素的位宽

注意事项

• 可以采用$isunknown()来检测数据内部是否有X态或者Z态；
• 若代码中从一个越界的地址中读取数据，那么SV将返回数组元素类型的缺省值。四状态类型的返回X，双状态类型的返回0；
• 用%p可以打印数组、结构和类等；
• 定宽数组：声明后大小不可改变，访问时需注意下标范围，越界访问会返回缺省值（四状态返回X，双状态返回0）；
• 动态数组：使用前必须调用new[]分配空间，否则访问会报错；重新分配时若未使用(dyn)复制旧数据，原数据会丢失；
• 关联数组：遍历顺序不固定（由内部哈希决定），不要依赖遍历顺序；删除元素用delete(键)，删除整个数组用delete()；访问不存在的键会返回缺省值，建议先用exists()检查；
• 队列：push_front/pop_front在头部操作，push_back/pop_back在尾部操作，性能最优；中间位置插入删除性能较差；$表示队列边界，q[$]取末尾元素，q[0]取头部元素；
• 数组方法：sort/rsort/reverse/shuffle会直接修改原数组；sum/product/and/or/xor等归约方法返回结果但不修改原数组；find系列方法返回新数组，不修改原数组；
• foreach遍历：多维数组的下标用逗号隔开放在同一个方括号中，如foreach(md[i,j])；遍历关联数组时，key为键名，assoc[key]为对应值；
• 数组复制：定宽数组和动态数组之间赋值时，要求基本数据类型相同且元素数目一致，否则可能产生截断或填充；
• 队列初始化：队列初始化时不需要'，直接使用q[$] = {0,1,6,9};即可；