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阻塞赋值和非阻塞赋值

已有 1443 次阅读| 2016-9-14 17:30 |个人分类:数字IC|系统分类:芯片设计

在always语句块中，verilog语言支持两种类型的赋值：阻塞赋值和非阻塞赋值。阻塞赋值使用“=”语句；非阻塞赋值使用“<=”语句。注意，千万不要将这两种赋值方法与assign赋值语句混淆起来，assign赋值语句根本不允许出现在always语句块中。
位于begin/end块内的多条阻塞赋值语句是串行执行的，这一点同标准的程序设计语言是相同的。但是多条非阻塞赋值语句却是并行执行的，这些非阻塞赋值语句都会在其中任何一条语句执行完成之前开始执行。这正是硬件电路的特点，因为实际的逻辑门电路都是独立运转的，而不是等到其他门电路运转结束之后自己才开始运转。
下面我们以描述移位寄存器的两种方法为例来讲述两种赋值类型的区别。在下面的这种描述中，第一个触发器中的数据被移到第二个触发器中，第二个触发器中的数据被移到第三个触发器中……如此继续下去，直到最后一个触发器中的数据被移出该寄存器为止。

1 module shiftreg (input clk,
2                  input sin,
3                  outout reg [3:0]q);//这是正确使用非阻塞赋值的实例
4       always @(posedge clk)
5       begin
6       q[0] <= sin;//非阻塞赋值：<=
7       q[1] <= q[0];
8       q[2] <= q[1]
9       q[3] <= q[2];
10       //这里写作q <= {q[2:0],sin};更简单更好一些
11       end
12 endmodule

非阻塞赋值语句的功能是使得所有语句右侧变量的值都同时被赋给左侧的变量。因此，在上面的实例中，q[1]得到的是 q[0]的原始值，而非sin的值（在第一条语句中，sin的值被赋给了q[0]）。这正是我们期望得到的实际硬件电路。当然，我们可以把上边的四条语句合并写成一条简短的语句：q<= {q[2:0],sin}。

阻塞赋值语句的功能更接近于传统的程序设计语言，但是阻塞赋值语句并不是准确的硬件工作模型。下面考虑使用阻塞赋值语句来实现同一模块可以得到什么结果。在始终clk的上升沿，verilog将会把sin的值赋给q[0]，然后 q[0]的新值被赋给q[1]，如此继续执行下去。最终所有的四个寄存器都会得到相同的值：sin的值。
本部分内容用意在于：讲述使用always语句块对时序逻辑电路进行建模的时候，如何使用非阻塞赋值。如果设计者能够充分的灵活应用，比如倒转上例中四条语句的顺序，那么使用阻塞赋值语句仍然能实现相应的功能，但是与使用非阻塞赋值的方法相比，这种方法并不会带来任何好处，相反还暗藏了巨大的风险。
最后需要注意的是：每个always语句块都隐含表示一个独立的逻辑电路模块。因此，对于特定的reg类型的变量，只能在一个always语句块中对其进行赋值；否则就可能会出现两个硬件模块同时从同一个输出端口输出数据的情况，这种情况一般称为短路输出（shorted output）。

过程赋值语句多用于对reg型变量进行复制，过程赋值有阻塞复制和非阻塞赋值两种。

非阻塞赋值的符号为：<=

阻塞赋值符号为：=

(1)非阻塞赋值的例子：

reg c,b;
always@(posedge clk)
begin
b <= a;
c <= b;
end

(2)阻塞赋值的例子：

reg c,b;
always @ (posedge clk)
begin
b = a;
c = b;
end

上述例子中，使用非阻塞赋值方法，其中的每个<=都可以理解为一个寄存器。而在同一
个时钟下面采用的非阻塞赋值方法，模块内所有寄存器都同时随时钟跳变。这是硬件处理
的精髓，也是时序电路中大量使用非阻塞赋值的原因。
在实际书写verilog HDL代码的过程中，对于always中reg型变量，如果不是处理组合逻
辑，尽量不使用阻塞赋值的方法。这主要是基于代码的可综合性考虑的，因为在verilog
HDL代码编译的时候，对于有些从后编译的编译器，阻塞赋值会找成时序上与预想的不
一致。对于以上阻塞赋值的例子，采用非阻塞方法应该写为

reg c,b;
always @ (posedge clk)
begin
b <= a;
c <= a;
end
实现电路和原方法一样。
而在always用于组合逻辑中，采用阻塞赋值表明未使用寄存器。
如
reg a,A,B,f_a;
always @ （a or A or B）
begin
f_a = a ？A : B;
end
以下是使用阻塞和非阻塞赋值应遵循的一些基本原则，这些原则有利于防止竞态（race condition）的发生。
（1）当用always块来描述组合逻辑（combinational logic）时，应当使用阻塞赋值。
（2）对于时序逻辑(sequential logic)的描述和建模，应当使用非阻塞赋值。
（3）在同一个always模块中，最好不要混合使用阻塞赋值和非阻塞赋值，对同一变量
既进行阻塞赋值，又进行非阻塞赋值，在综合时会出错。所以always中要么全部使用非
阻塞赋值，要么把阻塞赋值和非阻塞赋值分在不同的always中书写。
（4）尽量不要再在多个不同的always块中对同一变量赋值。
（5）使用$strobe显示使用非阻塞赋值的变量。

在Verilog HDL中，有两种过程性赋值方式，即阻塞式（blocking）和非阻塞式（non-blocking）。这两种赋值方式看似差不多，其实在某些情况下却有着根本的区别，如果使用不当，综合出来的结果和你所想得到的结果会相去甚远。

Tip：所谓过程性赋值就是指在initial或always语句内的赋值，它只能对寄存器数据类型的变量赋值。

阻塞式    （blocking）         的操作符为 “  = ”

非阻塞式（non-blocking）   的操作符为 “ <= ”

首先，我们通过两个例子来看看这两种赋值方式的区别，这里使用的综合工具为Qt ii。

例1：非阻塞式赋值

module

test_non_blocking

(

input             clk,

input             testa,

input             testb,

input             testc,

input             testd,

output  reg       testout

);

reg testreg;

always @ (posedge clk)

begin

  testreg <= testb | testc;

  begin

    if (testa) begin

      testout <= testreg & testd;

    end

    else begin

      testout <= testd;

    end

  end

end

endmodule

例1综合后的结果为

例2：阻塞式赋值

module

test_blocking

(

input             clk,

input             testa,

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