Verilog語(yǔ)言中阻塞和非阻塞賦值的不同

來(lái)源：《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)（夏宇聞）》

阻塞和非阻塞賦值的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)是Verilog 語(yǔ)言中最難理解概念之一。甚至有些很有經(jīng)驗(yàn)的Verilog 設(shè)計(jì)工程師也不能完全正確地理解：何時(shí)使用非阻塞賦值何時(shí)使用阻塞賦值才能設(shè)計(jì)出符合要求的電路。

他們也不完全明白在電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，即可綜合風(fēng)格的Verilog模塊的設(shè)計(jì)中，究竟為什么還要用非阻塞賦值，以及符合IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的Verilog 仿真器究竟如何來(lái)處理非阻塞賦值的仿真。

本小節(jié)的目的是盡可能地把阻塞和非阻塞賦值的含義詳細(xì)地解釋清楚，并明確地提出可綜合的Verilog模塊編程在使用賦值操作時(shí)應(yīng)注意的要點(diǎn)，按照這些要點(diǎn)來(lái)編寫(xiě)代碼就可以避免在Verilog 仿真時(shí)出現(xiàn)冒險(xiǎn)和競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象。我們?cè)谇懊嬖岬竭^(guò)下面兩個(gè)要點(diǎn)：

在描述組合邏輯的always塊中用阻塞賦值，則綜合成組合邏輯的電路結(jié)構(gòu)。

在描述時(shí)序邏輯的always塊中用非阻塞賦值，則綜合成時(shí)序邏輯的電路結(jié)構(gòu)。

為什么一定要這樣做呢？回答是，這是因?yàn)橐咕C合前仿真和綜合后仿真一致的緣故。如果不按照上面兩個(gè)要點(diǎn)來(lái)編寫(xiě)Verilog代碼，也有可能綜合出正確的邏輯，但前后仿真的結(jié)果就會(huì)不一致。

為了更好地理解上述要點(diǎn)，我們需要對(duì)Verilog 語(yǔ)言中的阻塞賦值和非阻塞賦值的功能和執(zhí)行時(shí)間上的差別有深入的了解。為了解釋問(wèn)題方便下面定義兩個(gè)縮寫(xiě)字：

RHS – 方程式右手方向的表達(dá)式或變量可分別縮寫(xiě)為：RHS表達(dá)式或RHS變量。

LHS – 方程式左手方向的表達(dá)式或變量可分別縮寫(xiě)為：LHS表達(dá)式或LHS變量。

IEEE Verilog標(biāo)準(zhǔn)定義了有些語(yǔ)句有確定的執(zhí)行時(shí)間，有些語(yǔ)句沒(méi)有確定的執(zhí)行時(shí)間。若有兩條或兩條以上語(yǔ)句準(zhǔn)備在同一時(shí)刻執(zhí)行，但由于語(yǔ)句的排列次序不同（而這種排列次序的不同是IEEE Verilog標(biāo)準(zhǔn)所允許的）， 卻產(chǎn)生了不同的輸出結(jié)果。這就是造成Verilog模塊冒險(xiǎn)和競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象的原因。為了避免產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，理解阻塞和非阻塞賦值在執(zhí)行時(shí)間上的差別是至關(guān)重要的。

阻塞賦值阻塞賦值操作符用等號(hào)（即 = ）表示。為什么稱這種賦值為阻塞賦值呢？這是因?yàn)樵谫x值時(shí)先計(jì)算等號(hào)右手方向（RHS）部分的值，這時(shí)賦值語(yǔ)句不允許任何別的Verilog語(yǔ)句的干擾，直到現(xiàn)行的賦值完成時(shí)刻，即把RHS賦值給 LHS的時(shí)刻，它才允許別的賦值語(yǔ)句的執(zhí)行。

一般可綜合的阻塞賦值操作在RHS不能設(shè)定有延遲，（即使是零延遲也不允許）。從理論上講，它與后面的賦值語(yǔ)句只有概念上的先后，而無(wú)實(shí)質(zhì)上的延遲。若在RHS 加上延遲，則在延遲期間會(huì)阻止賦值語(yǔ)句的執(zhí)行， 延遲后才執(zhí)行賦值，這種賦值語(yǔ)句是不可綜合的，在需要綜合的模塊設(shè)計(jì)中不可使用這種風(fēng)格的代碼。

阻塞賦值的執(zhí)行可以認(rèn)為是只有一個(gè)步驟的操作：

計(jì)算RHS并更新LHS，此時(shí)不能允許有來(lái)自任何其他Verilog語(yǔ)句的干擾。所謂阻塞的概念是指在同一個(gè)always塊中，其后面的賦值語(yǔ)句從概念上（即使不設(shè)定延遲）是在前一句賦值語(yǔ)句結(jié)束后再開(kāi)始賦值的。

如果在一個(gè)過(guò)程塊中阻塞賦值的RHS變量正好是另一個(gè)過(guò)程塊中阻塞賦值的LHS變量，這兩個(gè)過(guò)程塊又用同一個(gè)時(shí)鐘沿觸發(fā)，這時(shí)阻塞賦值操作會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，即如果阻塞賦值的次序安排不好，就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)。若這兩個(gè)阻塞賦值操作用同一個(gè)時(shí)鐘沿觸發(fā)，則執(zhí)行的次序是無(wú)法確定的。下面的例子可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：

［例1］。 用阻塞賦值的反饋振蕩器

module fbosc1 （y1， y2， clk， rst）;

output y1， y2;

input clk， rst;

reg y1， y2;

always @（posedge clk or posedge rst）

if （rst） y1 = 0; // reset

else y1 = y2;

always @（posedge clk or posedge rst）

if （rst） y2 = 1; // preset

else y2 = y1;

endmodule

按照IEEE Verilog 的標(biāo)準(zhǔn)，上例中兩個(gè)always塊是并行執(zhí)行的，與前后次序無(wú)關(guān)。如果前一個(gè)always塊的復(fù)位信號(hào)先到0時(shí)刻，則y1 和y2都會(huì)取1，而如果后一個(gè)always塊的復(fù)位信號(hào)先到0時(shí)刻，則y1 和y2都會(huì)取0。這清楚地說(shuō)明這個(gè)Verilog模塊是不穩(wěn)定的會(huì)產(chǎn)生冒險(xiǎn)和競(jìng)爭(zhēng)的情況。

非阻塞賦值非阻塞賦值操作符用小于等于號(hào) （即 《= ）表示。為什么稱這種賦值為非阻塞賦值？這是因?yàn)樵谫x值操作時(shí)刻開(kāi)始時(shí)計(jì)算非阻塞賦值符的RHS表達(dá)式，賦值操作時(shí)刻結(jié)束時(shí)更新LHS。

在計(jì)算非阻塞賦值的RHS表達(dá)式和更新LHS期間，其他的Verilog語(yǔ)句，包括其他的Verilog非阻塞賦值語(yǔ)句都能同時(shí)計(jì)算RHS表達(dá)式和更新LHS。非阻塞賦值允許其他的Verilog語(yǔ)句同時(shí)進(jìn)行操作。非阻塞賦值的操作可以看作為兩個(gè)步驟的過(guò)程：

在賦值時(shí)刻開(kāi)始時(shí)，計(jì)算非阻塞賦值RHS表達(dá)式。

在賦值時(shí)刻結(jié)束時(shí)，更新非阻塞賦值LHS表達(dá)式。

非阻塞賦值操作只能用于對(duì)寄存器類型變量進(jìn)行賦值，因此只能用在“initial”塊和“always”塊等過(guò)程塊中。非阻塞賦值不允許用于連續(xù)賦值。下面的例子可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：

［例2］。 用非阻塞賦值的反饋振蕩器

module fbosc2 （y1， y2， clk， rst）;

output y1， y2;

input clk， rst;

reg y1， y2;

always @（posedge clk or posedge rst）

if （rst） y1 《= 0; // reset

else y1 《= y2;

always @（posedge clk or posedge rst）

if （rst） y2 《= 1; // preset

else y2 《= y1;

endmodule

同樣，按照IEEE Verilog 的標(biāo)準(zhǔn)，上例中兩個(gè)always塊是并行執(zhí)行的，與前后次序無(wú)關(guān)。無(wú)論哪一個(gè)always塊的復(fù)位信號(hào)先到， 兩個(gè)always塊中的非阻塞賦值都在賦值開(kāi)始時(shí)刻計(jì)算RHS表達(dá)式，而在結(jié)束時(shí)刻才更新LHS表達(dá)式。所以這兩個(gè)always塊在復(fù)位信號(hào)到來(lái)后，在always塊結(jié)束時(shí) y1為0而y2為1是確定的。從用戶的角度看這兩個(gè)非阻塞賦值正好是并行執(zhí)行的。

Verilog模塊編程要點(diǎn)：

下面我們還將對(duì)阻塞和非阻塞賦值做進(jìn)一步解釋并將舉更多的例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。在此之前，掌握可綜合風(fēng)格的Verilog模塊編程的八個(gè)原則會(huì)有很大的幫助。在編寫(xiě)時(shí)牢記這八個(gè)要點(diǎn)可以為絕大多數(shù)的Verilog用戶解決在綜合后仿真中出現(xiàn)的90-100% 的冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

時(shí)序電路建模時(shí)，用非阻塞賦值。

鎖存器電路建模時(shí)，用非阻塞賦值。

用always塊建立組合邏輯模型時(shí)，用阻塞賦值。

在同一個(gè)always塊中建立時(shí)序和組合邏輯電路時(shí)，用非阻塞賦值。

在同一個(gè)always塊中不要既用非阻塞賦值又用阻塞賦值。

不要在一個(gè)以上的always塊中為同一個(gè)變量賦值。

用$strobe系統(tǒng)任務(wù)來(lái)顯示用非阻塞賦值的變量值

在賦值時(shí)不要使用 #0 延遲

Verilog的新用戶在徹底搞明白這兩種賦值功能差別之前，一定要牢記這幾條要點(diǎn)。照著要點(diǎn)來(lái)編寫(xiě)Verilog模塊程序，就可省去很多麻煩。

編輯：jq