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阻塞赋值和非阻塞赋值深度解析——仿真事件的调度

已有 4140 次阅读| 2015-9-6 22:24 |个人分类:经验集锦

下面有一段verilog代码和仿真文件，用的是VCS仿真和编译工具。我们来研究一下不同的驱动赋值方式对仿真结果的影响。下面我把我做的例子和大家分享一下。
设计源代码如下：

`timescale 1ns/1ps
module counter (data_out0, data_out1,clk,rst_n, data_in0, data_in1);
output [3:0] data_out0;
output [3:0] data_out1;
input [3:0] data_in0;
input [3:0] data_in1;
input clk;
input rst_n;

reg [3:0] data_out0;
reg [3:0] data_out1;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(!rst_n) begin
data_out0 <= 4'd0;
  end
  else begin
data_out0 <= data_in0;
  end
end
always @(posedge clk) begin
  if(!rst_n) begin
data_out1 <= 4'd0;
  end
  else begin
data_out1 <= data_in1;
  end
end
endmodule

这里有两段，分别表示带异步复位和带同步复位的。

测试程序如下：

`timescale 1ns/1ps
module tb_top;
reg clk;
reg rst_n;
wire [3:0] data_out0;
wire [3:0] data_out1;
reg [3:0] data_in0;
reg [3:0] data_in1;
counter u_counter0(.clk(clk), .rst_n(rst_n), .data_out0(data_out0), .data_out1(data_out1), .data_in0(data_in0), .data_in1(data_in1));

initial  begin
  clk=1'b0;
end
always begin
  #3 clk=~clk;
end
initial begin
  rst_n = 1'b1;
  #15 rst_n = 1'b0;
  #180 rst_n = 1'b1;
  #200 $finish;
end

initial begin
data_in0 <= 0;
wait(!rst_n);
wait(rst_n);
@(posedge clk);
data_in0 <= 1;
@(posedge clk);
data_in0 <= 2;
@(posedge clk);
data_in0 <= 4;
@(posedge clk);
data_in0 <= 8;
@(posedge clk);
data_in0 <= 0;
end

initial begin
data_in1 <= 0;
wait(!rst_n);
wait(rst_n);
@(posedge clk);
data_in1 <= 1;
@(posedge clk);
data_in1 <= 2;
@(posedge clk);
data_in1 <= 4;
@(posedge clk);
data_in1 <= 8;
@(posedge clk);
data_in1 <= 0;
end

initial begin
  $vcdpluson();
end
endmodule

注意这里红色的部分，data0和data1的驱动都用非阻塞赋值。得到的仿真波形图如下：

下面我把非阻塞赋值改成阻塞赋值，改动部分如下：

initial begin
data_in0 = 0;
wait(!rst_n);
wait(rst_n);
@(posedge clk);
data_in0 = 1;
@(posedge clk);
data_in0 = 2;
@(posedge clk);
data_in0 = 4;
@(posedge clk);
data_in0 = 8;
@(posedge clk);
data_in0 = 0;
end

initial begin
data_in1 = 0;
wait(!rst_n);
wait(rst_n);
@(posedge clk);
data_in1 = 1;
@(posedge clk);
data_in1 = 2;
@(posedge clk);
data_in1 = 4;
@(posedge clk);
data_in1 = 8;
@(posedge clk);
data_in1 = 0;
end

这样的代码，仿真波形图如下：

和上面的不一样，为什么呢，为什么这次的flop行为没有了呢？直接给结论吧。

根据verilog/system verilog的standard。我这里以system verilog的standard为例，STD 1800-2009版本，第四章“Scheduling Semantics”，这一章关于仿真的调度描述。

simulation的event大体分为:Active event -> Inactive event -> NBA event -> Overserved event -> Reactive -> Re-Inactive -> Re-NBA

一般的，阻塞赋值发生在active/inactive event，而NBA( Non-blocking assignment update)从字面意思就能看出来是做非阻塞赋值的。

再结合上面的例子，如果data_in0是阻塞赋值出去的话，因为例子里的dut是在时钟上升延来的时候进行非阻塞赋值（data_out0 <= data_in0)，这句话属于NBA event，而阻塞赋值data_in0 = 1 （或者2，4，8）是Active event，他比NBA要先执行，所以我们看到data_out0在当前的cycle就被采样到了。这就是后面一个波形图的样子，看起来就像flop没有用一样。实际上是我们driver写的有问题。

如果data_in0在testbench里面用阻塞赋值就是 data_in0 <= 1 (或者2，4，8，见例子），那么data_out0 <= data_in0, 和data_in0 <= 1同属于NBA event。这样子这两句话同时执行，这样就和实际电路中的flop行为一致了（就是并行执行）。

结论：做驱动的接口信号最好是非阻塞赋值出去。