Verilog基础：$fopen和$fclose系统函数、任务的使用
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$fopen和$fclose是Verilog中用于打开文件和关闭文件的系统函数、系统任务。它们是 Verilog文件I/O的基础接口，在测试激励读取、仿真日志输出、结果保存等场景中都非常常用。其中，$fopen被称为系统函数，是因为它会返回一个文件句柄；而$fclose被称为系统任务，是因为它本身不返回值。
在最初的Verilog-1995标准中，仿真器一次最多只能同时打开32个文件。这时所使用的文件句柄被称为多通道描述符，即MCD(Multi-Channel Descriptor)。MCD的表示方式比较特殊。它使用一个32位整数中的某一位来代表一个已打开的文件，形式上有些类似于“独热码”。也就是说，每打开一个文件，就相当于把某一个比特位置为1，从而用这个32位值来表示对应的文件句柄。MCD的一个特点是：多个句柄可以按位或运算组合在一起。组合后的结果就可以同时表示多个已打开的文件。这样一来，用户只需要用一条输出语句操作这个组合句柄，就能够把相同内容同时写入多个文件。不过，MCD也有明显局限。它主要只支持以下几个系统任务将数据输出到文件中：$fdisplay、$fwrite、$fstrobe和fmoniter。也就是说，MCD的能力基本局限于文件输出，并不支持文件输入这类更灵活的操作。
在Verilog-1995标准中，这32个可同时打开的文件中，还包括一个预先打开的标准输出文件STDOUT。也就是说，用户实际可自由分配的文件数量通常还不到32个。这在验证工作中会带来一定限制。因为在一些较复杂的测试环境中，工程师可能需要同时打开多个输入文件、多个日志文件，甚至还要分别记录不同模块的输出结果，这时31个左右的文件数量很容易不够用。除此之外，当时文件输入功能也比较弱。很多情况下，只能通过$readmemb和$readmemh之类的方式，把文件内容读入存储器数组中，而不能像后来的标准那样使用更通用、更灵活的文件读写接口。
到了Verilog-2001标准，文件I/O功能得到了明显增强。此时文件句柄被分成了两类：MCD(Multi-Channel Descriptor)和FD(File Descriptor)。这两类句柄都使用32位数值表示，但可以通过最高位进行区分。对于MCD，最高位为0。因此，它只能使用低31位来表示文件句柄，并且仍然主要用于只写方式打开文件。这里面同样包括预先打开的STDOUT。MCD保留了按位组合的优势，也就是说，多个MCD句柄仍然可以进行按位或，从而实现一次操作多个文件的能力。对于FD，最高位为1。其低31位用于标识具体文件。与MCD不同的是，FD不再采用独热码的方式，因此它不具备多个句柄按位组合后同时操作多个文件的能力。但作为交换，FD获得了更强的通用性。由于不再依赖独热码，它理论上可以表示2^31个文件句柄。当然，这里面也包括三个预先打开的标准文件：STDIN、STDOUT和STDERR。FD的优势在于它支持更丰富的打开模式，例如：只读、只写、读写、追加。因此，FD更适合进行通用的文件输入输出操作。这几种标准句柄的典型值如下：MCD的STDOUT句柄：32'h0000_0001；FD的STDIN句柄：32'h8000_0000；FD的STDOUT句柄：32'h8000_0001；FD的STDERR句柄：32'h8000_0002。顺带一提，当文件以写方式打开时，如果目标文件不存在，一般会自动创建该文件。
从语法上看，$fopen用于打开文件，$fclose用于关闭文件。上图是$fopen和$fclose的BNF范式语法。其中，$fopen是否返回MCD还是FD，取决于调用时是否指定了打开类型type：不指定type时，通常返回MCD；指定type时，通常返回FD。这里的file_name表示要打开的文件名。文件名既可以写成字符串常量，也可以放在字符串变量中。文件路径既可以使用：绝对路径（从根目录开始，通常以/开头）和相对路径（通常以./或../开头，其中./往往可以省略）。这里所谓的相对路径，是相对于仿真器当前工作目录而言的，而不是相对于源码文件所在目录。
FD打开文件的type如下表所示。
当使用FD打开文件时，可以通过type指定文件打开方式。常见模式包括：r（只读）、w（只写）、a（追加）、r+（读写）、w+（读写，通常会覆盖原内容）、a+（读写追加）。此外，还可能看到带b的形式，例如：rb、wb、ab、r+b、rb+。这里的b用于区分二进制文件和文本文件。不过，需要注意的是，并不是所有操作系统都会严格区分文本文件和二进制文件。例如在很多UNIX系统中，b往往会被忽略；但在某些系统中，例如Windows平台，二进制模式和文本模式在读写时可能存在差异，因此b仍然有实际意义。
当以读模式打开文件时，例如r、rb、r+、r+b、rb+等，如果出现以下情况：
- 文件不存在
- 当前权限不允许打开
- 文件路径错误
- 其他文件系统错误
那么$fopen会返回0，无论调用期望得到的是MCD还是FD，失败时都返回0。当出现这类错误时，可以配合使用$ferror来获取最近一次文件操作的错误信息，从而方便定位问题。
$fclose用于关闭一个已经打开的MCD或FD。一旦文件被$fclose关闭，就不能再继续通过这个句柄对文件进行输入或输出操作。换句话说，被关闭的文件句柄将失效，后续若仍然使用它进行读写，通常会导致错误或无效操作。此外，$fclose还有一个容易被忽略的作用：如果之前对某个文件句柄或多通道描述符使用了$fmonitor或$fstrobe之类的监控输出，那么在执行$fclose后，这些监控行为也会被隐式取消。同时，关闭文件以后，对应通道资源会被释放，之后$fopen可以重新使用这些已经关闭的通道。