Verilog基础：时序调度中的竞争（四）（描述时序逻辑时使用非阻塞赋值）

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Verilog基础https://blog.csdn.net/weixin_45791458/category_12263729.html?spm=1001.2014.3001.5482

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        作为一个硬件描述语言，Verilog HDL常常需要使用语句描述并行执行的电路，但其实在仿真器的底层，这些并行执行的语句是有先后顺序的，然而Verilog标准并没有将这些事件调度的顺序定死，而是给予了仿真器厂商一定的自由去实现自己的产品，这就导致了设计者如果不遵循一定的编程习惯，会导致意想不到的仿真结果，下面是一些相关的规则。

4、描述时序逻辑时使用非阻塞赋值

        首先以一个三级触发器为例说明描述时序逻辑时使用非阻塞赋值，其电路如图1所示。

图1 一个触发器组

例1

        如果使用例1所示的阻塞赋值，顺序执行的阻塞赋值会导致d在时钟上升沿被直接传递到q3，最后的仿真结果（图2）和综合结果（图3）都只有一级触发器。

# 例1
module example1 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d; input        clk; reg    [7:0] q3, q2, q1; always @(posedge clk) begin q1 = d; q2 = q1; q3 = q2; end
endmodule

图2 例1的仿真结果

图3 例1的综合结果

例2

        例2将例1中的三个阻塞赋值重排序了，以描述一个三级触发器的行为，q3首先得到q2的值，随后q2再得到q1的值，最后才更新q1，最后的仿真结果（图4）和综合结果（图5）都是三级触发器。

# 例2
module example2 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d;input        clk;reg    [7:0] q3, q2, q1;always @(posedge clk) beginq3 = q2;q2 = q1; q1 = d; end
endmodule

图4 例2的仿真结果

图5 例2的综合结果

        虽然看起来很完美，但例2其实是有问题的，如果在该模块后某个触发器采样了q3（或与q3有关的组合逻辑），则此时q3可能使用未更新的值（正确），也可能使用已更新的值（错误），下面的例3说明了这种情况。

例3

        例3在三级触发器后又加了一个触发器，在时钟上升沿时，q3的值会更新同时q4的值也会，谁先执行是一个取决于仿真器的未定义行为。如果q4先更新，则q4得到的是q3旧值（正确）；如果q3先更新，则q4得到的是q3新值（错误），如图6的仿真结果所示。即使图7所示的综合结果是正确的，但这会造成前仿和后仿的不一致。

# 例3
module example3 (q4, d, clk); output [7:0] q4; input  [7:0] d;input        clk;reg    [7:0] q4, q3, q2, q1;always @(posedge clk) beginq3 = q2;q2 = q1; q1 = d; endalways @(posedge clk) beginq4 = q3;      // q4 <= q3;   这两种赋值都会导致竞争end
endmodule

图6 例3的仿真结果（一种可能，错误）

图7 例3的综合结果

例4

        如果理解了上面的例3，那么将例3拆成三个always块的例4毫无疑问是一种会导致前仿和后仿不一致的写法，因为不同always块的执行顺序是不确定的。图8展示的仿真结果表示，该仿真器选择从下到上执行这三个always块，因此得到了和例1一样的结果。从图9所示的综合结果来看是正确的。

# 例4
module example4 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d;input        clk;reg    [7:0] q3, q2, q1;always @(posedge clk) beginq3 = q2;endalways @(posedge clk) beginq2 = q1;endalways @(posedge clk) beginq1 = d;end
endmodule

图8 例4的仿真结果（一种可能，错误）

图9 例4的综合结果

例5

        例5在例4的基础上，将always块的顺序调换了，图10展示的仿真结果表示，该仿真器选择从下到上执行这三个always块，因此得到了和例2一样的结果。从图11所示的综合结果来看是正确的。

# 例5
module example5 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d;input        clk;reg    [7:0] q3, q2, q1;always @(posedge clk) beginq1 = d;endalways @(posedge clk) beginq2 = q1;endalways @(posedge clk) beginq3 = q2;end
endmodule

图10 例5的仿真结果（一种可能，正确）

图11 例5的综合结果

        上面四种使用阻塞赋值的方法中，只有一种能保证仿真结果正确，即使三种的综合结果是正确的。

例6

        例6以非阻塞赋值重写了例1，由于非阻塞赋值分两步执行，首先是<=右侧表达式值的计算，在当前仿真时间的最后才将右侧表达式值赋值给左值。因此q2得到的是q1的旧值，而q3得到的也是q2的旧值，如仿真结果图12所示，这时的综合结果如图13所示，也是正确的。

# 例6
module example6 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d; input        clk; reg    [7:0] q3, q2, q1; always @(posedge clk) begin q1 <= d; q2 <= q1; q3 <= q2; end
endmodule

图12 例6的仿真结果

图13 例6的综合结果

例7

        例7以非阻塞赋值重写了例2，但仿真结果和综合结果依旧如图12和图13所示，因为此时所有值的更新都是在最后进行的，不会影响<=右侧表达式的计算结果。

# 例7
module example7 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d; input        clk; reg    [7:0] q3, q2, q1; always @(posedge clk) beginq3 <= q2;q2 <= q1;q1 <= d; end
endmodule

例8

        例8以非阻塞赋值重写了例4，虽然不同always块的执行顺序是不确定的，但这只表示<=右侧表达式值的计算顺序是不确定的，右侧表达式值赋值给左值的顺序是不确定的，这不会对结果有任何影响，所有右侧表达式值赋值给左值还是发生在右侧表达式值的计算前。仿真结果和综合结果依旧如图12和图13所示。

# 例8
module example8 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d;input        clk;reg    [7:0] q3, q2, q1;always @(posedge clk) beginq3 <= q2;endalways @(posedge clk) beginq2 <= q1;endalways @(posedge clk) beginq1 <= d;end
endmodule

例9

        例9以非阻塞赋值重写了例5，与例8同理，仿真结果和综合结果依旧如图12和图13所示。

# 例9
module example9 (q3, d, clk); output [7:0] q3; input  [7:0] d;input        clk;reg    [7:0] q3, q2, q1;always @(posedge clk) beginq1 <= d;endalways @(posedge clk) beginq2 <= q1;endalways @(posedge clk) beginq3 <= q2;end
endmodule

        上面四种使用非阻塞赋值的方法中，全部能保证仿真结果和综合结果正确。上面的九个例子说明了在描述时序逻辑时，最好使用非阻塞赋值。

例10

        例10展示了一个使用阻塞赋值实现的线性反馈移位寄存器(LFSR)，关于这种结构的详细介绍，可见数字IC前端学习笔记：LFSR（线性反馈移位寄存器）。

module example10 (q3, clk, pre_n); output q3; input  clk, pre_n; reg    q3, q2, q1; always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) {q3,q2,q1} = 3'b111; else        {q3,q2,q1} = {q2,(q1^q3),q3}; 
endmodule

        例10将所有的赋值写在了一行，保证了赋值的正确，但这种风格是不建议的，会让debug变得更加复杂。可以发现，例10无法使用例2中将阻塞赋值重排序的方法实现，因为其是有互相依赖，即q3依赖q2而q2依赖于q3。而且，例10仍然有例3所示的前仿和后仿不一致的问题。

例11

        例11以非阻塞赋值重写了例10，解决了例10存在的前仿和后仿不一致的问题。

module example11 (q3, clk, pre_n); output q3; input  clk, pre_n; reg    q3, q2, q1; always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) {q3,q2,q1} <= 3'b111; else        {q3,q2,q1} <= {q2,(q1^q3),q3}; 
endmodule

例12

        例12将例11拆成了一个always块中的三个非阻塞赋值，仿真结果和综合结果和例11一致。

module example12 (q3, clk, pre_n); output q3; input  clk, pre_n; reg    q3, q2, q1; always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq1 <= 1'b1; q2 <= 1'b1;q3 <= 1'b1;endelse beginq1 <= q3; q2 <= q1^q3;q3 <= q2;end   
endmodule

例13

        例13将例12中的三个非阻塞赋值重排序了，仿真结果和综合结果和例11一致。

module example13 (q3, clk, pre_n); output q3; input  clk, pre_n; reg    q3, q2, q1; always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq3 <= 1'b1; q2 <= 1'b1;q1 <= 1'b1;endelse beginq3 <= q2;q2 <= q1^q3;q1 <= q3; end   
endmodule

例14

        例14将例11拆成了三always块，仿真结果和综合结果和例11一致。

module example14 (q3, clk, pre_n); output q3; input  clk, pre_n; reg    q3, q2, q1; always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq3 <= 1'b1;endelse beginq3 <= q2;end   always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq2 <= 1'b1;endelse beginq2 <= q1^q3;end always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq1 <= 1'b1;endelse beginq1 <= q3; end 
endmodule

例15

        例15在例14的基础上，将always块的顺序调换了，仿真结果和综合结果和例11一致。

module example15 (q3, clk, pre_n); output q3; input  clk, pre_n; reg    q3, q2, q1; always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq1 <= 1'b1;endelse beginq1 <= q3; end always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq2 <= 1'b1;endelse beginq2 <= q1^q3;end always @(posedge clk or negedge pre_n)  if (!pre_n) beginq3 <= 1'b1;endelse beginq3 <= q2;end 
endmodule

        本文是基于《CUMMINGS, Clifford E., et al. Nonblocking assignments in verilog synthesis, coding styles that kill!. SNUG (Synopsys Users Group) 2000 User Papers, 2000. 》的进一步阐述，感谢Clifford E. Cummings对此做出贡献。

        原文链接：http://www.sunburst-design.com/papers/CummingsSNUG2000SJ_NBA.pdf