lab1e_queue.sv

module queue_demo;

  // ========================================
  // Створення черги (Queue)
  // ========================================
  // Queue - динамічна структура даних з операціями push/pop
  int pkt_queue[$];  // $ означає queue (черга)
  
  // Змінні для роботи з чергою
  int packet;
  int i, j;
  
  // Додаткові черги для демонстрації
  int temp_queue[$];
  int queue_a[$], queue_b[$], queue_c[$];
  int fifo[$], stack[$], priority_queue[$], circular[$];
  int rx_queue[$], processing[$], tx_queue[$];
  int MAX_SIZE;
  
  // Допоміжна функція для виведення черги
  task display_queue(input string label);
    int k;
    $write("%s [", label);
    for (k = 0; k < pkt_queue.size(); k++) begin
      if (k > 0) $write(", ");
      $write("%0d", pkt_queue[k]);
    end
    $display("]");
  endtask
  
  // Вивід довільної черги
  task display_any_queue(input string label, input int q[$]);
    int k;
    $write("%s [", label);
    for (k = 0; k < q.size(); k++) begin
      if (k > 0) $write(", ");
      $write("%0d", q[k]);
    end
    $display("]");
  endtask
  
  initial begin
    
    $display("\n=== Queue Demo: Буфер прийому пакетів ===\n");
    
    $display("Початковий стан черги:");
    $display("  Розмір: %0d (порожня)", pkt_queue.size());
    
    // ========================================
    // Завдання 1: Додавання пакетів 101, 102, 103, 104
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 1: Додавання пакетів 101-104 ===\n");
    
    pkt_queue.push_back(101);
    pkt_queue.push_back(102);
    pkt_queue.push_back(103);
    pkt_queue.push_back(104);
    
    $display("Додано пакети: 101, 102, 103, 104 (push_back)");
    display_queue("Черга:    ");
    $display("Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    
    // ========================================
    // Завдання 2: Додавання пакетів 105 і 106 в кінець
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 2: Додавання пакетів 105 і 106 в кінець ===\n");
    
    pkt_queue.push_back(105);
    pkt_queue.push_back(106);
    
    $display("Додано пакети: 105, 106 (push_back)");
    display_queue("Черга:    ");
    $display("Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    
    // ========================================
    // Завдання 3: Додавання пакета 200 на початок
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 3: Додавання пакета 200 на початок ===\n");
    
    pkt_queue.push_front(200);
    
    $display("Додано пакет: 200 (push_front)");
    display_queue("Черга:    ");
    $display("Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    $display("");
    $display("Структура черги:");
    $display("  [ПОЧАТОК] 200 → 101 → 102 → 103 → 104 → 105 → 106 [КІНЕЦЬ]");
    
    // ========================================
    // Завдання 4: Вилучення двох пакетів з початку
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 4: Вилучення 2 пакетів з початку (обробка) ===\n");
    
    // Перший пакет
    packet = pkt_queue.pop_front();
    $display("Відправлено на обробку: пакет ID=%0d (pop_front)", packet);
    
    // Другий пакет
    packet = pkt_queue.pop_front();
    $display("Відправлено на обробку: пакет ID=%0d (pop_front)", packet);
    
    $display("");
    display_queue("Черга після обробки: ");
    $display("Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    
    // ========================================
    // Завдання 5: Вилучення одного пакета з кінця
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 5: Вилучення 1 пакета з кінця (застарілий) ===\n");
    
    packet = pkt_queue.pop_back();
    $display("Відкинуто застарілий пакет: ID=%0d (pop_back)", packet);
    
    $display("");
    display_queue("Черга після відкидання: ");
    $display("Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    
    // ========================================
    // Завдання 6: Вивід всіх пакетів через цикл for
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 6: Перегляд всіх пакетів (цикл for + size) ===\n");
    
    $display("Пакети в черзі:");
    for (i = 0; i < pkt_queue.size(); i++) begin
      $display("  [%0d] Пакет ID=%0d", i, pkt_queue[i]);
    end
    $display("");
    $display("Загальна кількість пакетів: %0d", pkt_queue.size());
    
    // ========================================
    // Завдання 7: Повне очищення черги
    // ========================================
    $display("\n=== Завдання 7: Очищення черги ===\n");
    
    $display("Перед очищенням:");
    display_queue("  Черга:    ");
    $display("  Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    
    pkt_queue.delete();  // Видаляє всі елементи
    
    $display("");
    $display("Після очищення (delete):");
    display_queue("  Черга:    ");
    $display("  Розмір: %0d", pkt_queue.size());
    if (pkt_queue.size() == 0) begin
      $display("  Черга порожня: ТАК");
    end else begin
      $display("  Черга порожня: НІ");
    end
    
    // ========================================
    // Додаткова демонстрація методів Queue
    // ========================================
    $display("\n");
    $display("======================================================================");
    $display("=== Додаткові методи Queue ===");
    $display("======================================================================\n");
    
    // Відновимо чергу для демонстрації
    pkt_queue.delete();
    pkt_queue.push_back(10);
    pkt_queue.push_back(20);
    pkt_queue.push_back(30);
    pkt_queue.push_back(40);
    pkt_queue.push_back(50);
    display_queue("Тестова черга: ");
    $display("");
    
    // insert() - вставка в довільну позицію
    $display("1. INSERT - вставка в позицію:");
    $display("   pkt_queue.insert(2, 25);  // Вставити 25 в позицію 2");
    pkt_queue.insert(2, 25);
    display_queue("   Результат:     ");
    
    // delete() з індексом - видалення конкретного елемента
    $display("\n2. DELETE(index) - видалення конкретного елемента:");
    $display("   pkt_queue.delete(2);  // Видалити елемент з позиції 2");
    pkt_queue.delete(2);
    display_queue("   Результат:     ");
    
    // Доступ по індексу
    $display("\n3. ДОСТУП ПО ІНДЕКСУ:");
    $display("   pkt_queue[0] = %0d  (перший елемент)", pkt_queue[0]);
    $display("   pkt_queue[$] = %0d  (останній елемент - спец. індекс $)", pkt_queue[$]);
    
    // Зріз (slice) - note: може не працювати в Icarus
    $display("\n4. ЗРІЗ (SLICE) [може не працювати в Icarus]:");
    $display("   Теоретично: pkt_queue[1:3] дасть елементи з індексу 1 до 3");
    
    // Конкатенація
    $display("\n5. КОНКАТЕНАЦІЯ:");
    $display("   В комерційних симуляторах: temp = {pkt_queue, 60, 70}");
    $display("   В Icarus: використовуємо ручне копіювання");
    temp_queue.delete();
    for (i = 0; i < pkt_queue.size(); i++) begin
      temp_queue.push_back(pkt_queue[i]);
    end
    temp_queue.push_back(60);
    temp_queue.push_back(70);
    display_any_queue("   Результат:     ", temp_queue);
    
    // Порівняння черг
    queue_a.delete(); queue_b.delete(); queue_c.delete();
    queue_a.push_back(1); queue_a.push_back(2); queue_a.push_back(3);
    queue_b.push_back(1); queue_b.push_back(2); queue_b.push_back(3);
    queue_c.push_back(1); queue_c.push_back(2); queue_c.push_back(4);
    $display("\n6. ПОРІВНЯННЯ:");
    display_any_queue("   queue_a = ", queue_a);
    display_any_queue("   queue_b = ", queue_b);
    display_any_queue("   queue_c = ", queue_c);
    $display("   ПРИМІТКА: Оператор == для черг не підтримується в Icarus Verilog");
    $display("   В комерційних симуляторах (Questa/VCS):");
    $display("     (queue_a == queue_b) повертатиме 1 (TRUE)");
    $display("     (queue_a == queue_c) повертатиме 0 (FALSE)");
    
    // ========================================
    // Практичні сценарії
    // ========================================
    $display("\n");
    $display("======================================================================");
    $display("=== Практичні сценарії використання Queue ===");
    $display("======================================================================\n");
    
    // Сценарій 1: FIFO буфер
    $display("СЦЕНАРІЙ 1: FIFO (First-In-First-Out) Буфер");
    $display("────────────────────────────────────────────");
    fifo.delete();
    
    $display("Додавання в кінець:");
    fifo.push_back(1); display_any_queue("  push_back(1) → ", fifo);
    fifo.push_back(2); display_any_queue("  push_back(2) → ", fifo);
    fifo.push_back(3); display_any_queue("  push_back(3) → ", fifo);
    
    $display("\nВилучення з початку:");
    packet = fifo.pop_front(); 
    $write("  pop_front() = %0d, залишилось: ", packet);
    display_any_queue("", fifo);
    
    packet = fifo.pop_front(); 
    $write("  pop_front() = %0d, залишилось: ", packet);
    display_any_queue("", fifo);
    
    // Сценарій 2: LIFO стек
    $display("\n\nСЦЕНАРІЙ 2: LIFO (Last-In-First-Out) Стек");
    $display("────────────────────────────────────────────");
    stack.delete();
    
    $display("Додавання (push):");
    stack.push_back(10); display_any_queue("  push(10) → ", stack);
    stack.push_back(20); display_any_queue("  push(20) → ", stack);
    stack.push_back(30); display_any_queue("  push(30) → ", stack);
    
    $display("\nВилучення (pop):");
    packet = stack.pop_back(); 
    $write("  pop() = %0d, залишилось: ", packet);
    display_any_queue("", stack);
    
    packet = stack.pop_back(); 
    $write("  pop() = %0d, залишилось: ", packet);
    display_any_queue("", stack);
    
    // Сценарій 3: Пріоритетна вставка
    $display("\n\nСЦЕНАРІЙ 3: Пріоритетна вставка");
    $display("────────────────────────────────────────────");
    priority_queue.delete();
    priority_queue.push_back(100);
    priority_queue.push_back(300);
    priority_queue.push_back(500);
    display_any_queue("Черга: ", priority_queue);
    
    $display("Вставка пакета 200 між 100 і 300:");
    priority_queue.insert(1, 200);
    display_any_queue("Результат: ", priority_queue);
    
    $display("Вставка пакета 400 між 300 і 500:");
    priority_queue.insert(3, 400);
    display_any_queue("Результат: ", priority_queue);
    
    // Сценарій 4: Кільцевий буфер (circular buffer)
    $display("\n\nСЦЕНАРІЙ 4: Кільцевий буфер (обмеженого розміру)");
    $display("────────────────────────────────────────────");
    circular.delete();
    MAX_SIZE = 3;
    
    $display("Максимальний розмір: %0d\n", MAX_SIZE);
    
    for (i = 1; i <= 5; i++) begin
      circular.push_back(i * 10);
      $write("Додано %0d → ", i * 10);
      display_any_queue("", circular);
      
      // Якщо перевищено розмір - видаляємо найстаріший
      if (circular.size() > MAX_SIZE) begin
        packet = circular.pop_front();
        $write("  Буфер повний! Видалено найстаріший: %0d → ", packet);
        display_any_queue("", circular);
      end
    end
    
    // ========================================
    // Порівняння з іншими структурами
    // ========================================
    $display("\n");
    $display("======================================================================");
    $display("=== Порівняння Queue з іншими структурами ===");
    $display("======================================================================\n");
    
    $display("┌─────────────────┬────────────┬──────────────┬──────────────┐");
    $display("│                 │   Queue    │ Dynamic Array│ Unpacked     │");
    $display("├─────────────────┼────────────┼──────────────┼──────────────┤");
    $display("│ Розмір          │ Динамічний │ Динамічний   │ Фіксований   │");
    $display("│ Push front      │ O(1) ✓     │ O(n) ✗       │ N/A          │");
    $display("│ Push back       │ O(1) ✓     │ O(1) ✓       │ N/A          │");
    $display("│ Pop front       │ O(1) ✓     │ O(n) ✗       │ N/A          │");
    $display("│ Pop back        │ O(1) ✓     │ O(1) ✓       │ N/A          │");
    $display("│ Insert          │ O(n) ✓     │ O(n) ✓       │ N/A          │");
    $display("│ Delete          │ O(n) ✓     │ O(n) ✓       │ N/A          │");
    $display("│ Random access   │ O(1) ✓     │ O(1) ✓       │ O(1) ✓       │");
    $display("│ Resize          │ Авто ✓     │ Manual (new) │ Неможливо    │");
    $display("│ Синтез          │ НІ         │ НІ           │ НІ           │");
    $display("└─────────────────┴────────────┴──────────────┴──────────────┘");
    
    $display("\n");
    $display("======================================================================");
    $display("=== Методи Queue - Повний довідник ===");
    $display("======================================================================\n");
    
    $display("ДОДАВАННЯ:");
    $display("  • push_back(value)   - додати в кінець черги");
    $display("  • push_front(value)  - додати на початок черги");
    $display("  • insert(index, val) - вставити в позицію index");
    
    $display("\nВИЛУЧЕННЯ:");
    $display("  • pop_back()         - вилучити з кінця (повертає значення)");
    $display("  • pop_front()        - вилучити з початку (повертає значення)");
    $display("  • delete(index)      - видалити елемент з позиції index");
    $display("  • delete()           - видалити всі елементи");
    
    $display("\nІНФОРМАЦІЯ:");
    $display("  • size()             - кількість елементів");
    $display("  • queue[i]           - доступ до i-го елемента");
    $display("  • queue[$]           - доступ до останнього елемента");
    $display("  • queue[a:b]         - зріз від a до b (може не працювати в Icarus)");
    
    $display("\nОПЕРАЦІЇ:");
    $display("  • queue_a == queue_b - порівняння черг");
    $display("  • {q1, q2}           - конкатенація (комерційні симулятори)");
    
    $display("\n");
    $display("======================================================================");
    $display("=== Коли використовувати Queue ===");
    $display("======================================================================\n");
    
    $display("✓ ДОБРЕ для:");
    $display("  • FIFO буфери (мережеві пакети, події)");
    $display("  • LIFO стеки (виклики функцій, backtracking)");
    $display("  • Динамічні списки з операціями на початку/кінці");
    $display("  • Transaction queues у тестбенчах");
    $display("  • Mailbox альтернатива");
    $display("  • Історія подій");
    
    $display("\n✗ ПОГАНО для:");
    $display("  • Синтез апаратури (не синтезується!)");
    $display("  • Часті вставки/видалення в середині (O(n))");
    $display("  • Коли потрібна тільки послідовна обробка");
    $display("  • Дуже великі об'єми даних (краще associative array)");
    
    $display("\n");
    $display("======================================================================");
    $display("=== Приклад: Packet Processing Pipeline ===");
    $display("======================================================================\n");
    
    // Імітація packet processing pipeline
    rx_queue.delete();
    processing.delete();
    tx_queue.delete();
    
    $display("Симуляція обробки пакетів:\n");
    
    // Прийом пакетів
    $display("1. ПРИЙОМ (RX):");
    for (i = 1; i <= 5; i++) begin
      rx_queue.push_back(i * 100);
      $write("   Прийнято пакет %0d → rx_queue: ", i * 100);
      display_any_queue("", rx_queue);
    end
    
    // Переміщення на обробку
    $display("\n2. ОБРОБКА:");
    while (rx_queue.size() > 0 && processing.size() < 3) begin
      packet = rx_queue.pop_front();
      processing.push_back(packet);
      $write("   Взято на обробку: %0d → processing: ", packet);
      display_any_queue("", processing);
    end
    $write("   rx_queue: ");
    display_any_queue("", rx_queue);
    
    // Переміщення на передачу
    $display("\n3. ПЕРЕДАЧА (TX):");
    while (processing.size() > 0) begin
      packet = processing.pop_front();
      tx_queue.push_back(packet);
      $write("   Передано: %0d → tx_queue: ", packet);
      display_any_queue("", tx_queue);
    end
    
    $display("\n4. ФІНАЛЬНИЙ СТАН:");
    $write("   RX queue:         ");
    display_any_queue("", rx_queue);
    $display("                     (розмір: %0d)", rx_queue.size());
    $write("   Processing queue: ");
    display_any_queue("", processing);
    $display("                     (розмір: %0d)", processing.size());
    $write("   TX queue:         ");
    display_any_queue("", tx_queue);
    $display("                     (розмір: %0d)", tx_queue.size());
    
    $display("\n======================================================================\n");
    
  end

endmodule