Verilog HDL阻塞屬性探究及其應(yīng)用

摘 要：阻塞賦值與非阻塞賦值語(yǔ)句作為verilog HDL語(yǔ)言的最大難點(diǎn)之一，一直困擾著FPGA設(shè)計(jì)者，而其中的錯(cuò)誤又隱晦莫測(cè)，理解不透徹會(huì)直接導(dǎo)致運(yùn)用不當(dāng)，使設(shè)計(jì)工程達(dá)不到預(yù)期效果，而排錯(cuò)又相當(dāng)麻煩。阻塞賦值與非阻塞賦值語(yǔ)句既血脈相連，又有本質(zhì)的區(qū)別。透過(guò)原理和實(shí)際應(yīng)用，從不同側(cè)面對(duì)阻塞賦值與非阻塞賦值進(jìn)行剖析，并闡述了阻塞賦值與非阻塞賦值的各自特點(diǎn)及其應(yīng)用。

Verilog HDL中，有兩種過(guò)程賦值方式，即阻塞賦值（blocking）和非阻塞賦值（nonblocking）。阻塞賦值執(zhí)行時(shí)，RHS（right hand statement）估值與更新LHS（left hand statement）值一次執(zhí)行完成，計(jì)算完畢，立即更新。在執(zhí)行時(shí)阻塞同塊中的其他語(yǔ)句的執(zhí)行。阻塞式（blocking）的操作符為 “ = ”。它的執(zhí)行很像傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。非阻塞賦值RHS估值與更新LHS值分兩步執(zhí)行。在單位仿真周期開(kāi)始時(shí)RHS估值，在同一單位仿真周期末更新LHS值，不阻塞同塊中其他語(yǔ)句的執(zhí)行。非阻塞式（non-blocking）的操作符為 “ <= ”，它的執(zhí)行更像并行電路，使描述電路更自然。阻塞賦值與非阻塞賦值是Verilog HDL程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，它們既有共同點(diǎn)，也有差異，深入剖析其異同，對(duì)于硬件程序的開(kāi)發(fā)具有重大意義。

1 Verilog 事件處理機(jī)制

層積事件列（The Stratified Event Queue）是一個(gè)事件管理概念模型，而非硬件邏輯。模型內(nèi)事件的具體實(shí)現(xiàn)與EDA軟件生產(chǎn)商的算法策略有關(guān)。在IEEE-2001中，Verilog把事件分為5個(gè)不同部分，按照時(shí)間順序如圖1所示。

觸發(fā)的任何事件可以加入到這5個(gè)事件列中的任何事件列中，但只能從活躍事件列中移出。即上面的5個(gè)事件列中的事件最后都將被激活而放入活躍事件列中。層積事件列是層次模型，層積事件列的執(zhí)行順序是按優(yōu)先級(jí)排列的。任何EDA軟件都只能執(zhí)行活躍事件。其他事件列都按優(yōu)先級(jí)級(jí)別依次激活本列事件以供執(zhí)行。

1.1 活躍事件列

由圖1可見(jiàn)，大部分事件都被放入活躍事件列?；钴S事件列里包括非阻塞賦值RHS估值。但是，非阻塞賦值的更新不是在活躍事件列，它被列成獨(dú)立的非阻塞更新事件列?；钴S事件列是仿真的執(zhí)行源，從一開(kāi)始執(zhí)行活躍事件列到活躍事件列執(zhí)行完畢稱為一個(gè)仿真周期?；钴S事件列中的事件可以觸發(fā)活躍或非活躍等其他事件。當(dāng)活躍事件列中的所有事件執(zhí)行完后，EDA軟件會(huì)按優(yōu)先級(jí)依次觸發(fā)其余事件列以供仿真執(zhí)行。但在當(dāng)前活躍事件列中的事件執(zhí)行順序是不確定的。

1.2 非活躍事件列

發(fā)生在當(dāng)前仿真時(shí)間里并且在活躍事件列執(zhí)行完后執(zhí)行的事件列，即非活躍事件列執(zhí)行優(yōu)先級(jí)僅次于活躍事件列。如帶PLI例程的回調(diào)過(guò)程（tf_synchronize()、vpi_register_cb(cb_readwrite)）。非活躍事件列中的事件亦可以觸發(fā)其他事件。如果觸發(fā)了優(yōu)先級(jí)更高的活躍事件，非活躍事件列中的其余事件執(zhí)行后移。

1.3 非阻塞賦值更新事件列

活躍事件列中的每個(gè)非阻塞賦值RHS估值，都會(huì)觸發(fā)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的非阻塞賦值更新事件，這些事件被放在非阻塞賦值更新事件列中，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)次于活躍與非活躍事件列。非阻塞賦值更新事件亦可以觸發(fā)其他事件。若在非阻塞賦值更新事件列中，存在多個(gè)對(duì)同一變量的先后賦值，只有最后一個(gè)有效，其余值將被覆蓋。

1.4 監(jiān)控事件列

監(jiān)控事件列被放在非阻塞賦值更新事件列后。由此可見(jiàn)，用監(jiān)控事件列中的監(jiān)控命令監(jiān)控得到的值都是賦值后的值，活躍事件列＄display系統(tǒng)命令則可以查看非阻塞更新前的值。

1.5 未來(lái)事件列

在執(zhí)行事件時(shí)，如果事件含有延時(shí)，為不阻礙仿真的繼續(xù)執(zhí)行,該事件將被掛起而放入未來(lái)事件列。未來(lái)事件包含未來(lái)非活躍事件和未來(lái)非阻塞賦值更新事件。

理解阻塞與非阻塞賦值就需要深入理解層積事件列，層積事件列反應(yīng)了Verilog事件處理機(jī)制。

2 應(yīng)用及分析

通常非阻塞賦值產(chǎn)生寄存器等存儲(chǔ)元件，對(duì)應(yīng)的物理器件是帶存貯功能的元件，如寄存器、觸發(fā)器等。阻塞賦值則對(duì)應(yīng)網(wǎng)線（wire）類型，通常與物理連線對(duì)應(yīng)。這是兩種賦值方式的最明顯的差異，也是時(shí)序邏輯用非阻塞、組合邏輯用阻塞的重要原因。但這并不是絕對(duì)的，事實(shí)上阻塞賦值對(duì)應(yīng)網(wǎng)線（wire）型，亦可對(duì)應(yīng)寄存器（reg）型；阻塞賦值也能生成存貯元件，因此不能片面理解。在組合邏輯里，鎖存器可能引發(fā)測(cè)試問(wèn)題，帶來(lái)隱患。說(shuō)明在建模時(shí)，首先要從硬件出發(fā)來(lái)考慮問(wèn)題，應(yīng)先在頭腦中形成電路結(jié)構(gòu)，由于賦值方式的不同，綜合結(jié)果差異甚大，運(yùn)用不當(dāng)很可能會(huì)導(dǎo)致建模失敗。阻塞賦值在時(shí)序邏輯中亦有著重要應(yīng)用，在需要實(shí)時(shí)更新的組合邏輯中只有阻塞賦值能滿足要求。

以下示例代碼的功能是計(jì)算傳送過(guò)來(lái)的data中1和0的個(gè)數(shù)。

reg [5:0]count0，count1;

always @(posedge clk,negedge Rst_n)

begin

if(!Rst_n)

...

else

begin

count0 = 0; //語(yǔ)句1

count1 = 0; //語(yǔ)句2

for(i = 0;i <= 11;i = i+1)

begin

if(data[i] == 1)

count1 = count1 + 1; //語(yǔ)句3

else if(data[i] == 0)

count0 = count0 - 1; //語(yǔ)句4

else

count0 = count0 + 0; //防止生成鎖存器

end

end

end

在這段代碼里，count0、count1的值必須在每次計(jì)數(shù)之前被清零，count0、count1必須實(shí)時(shí)更新。顯然，只有阻塞賦值能滿足要求。非阻塞賦值分兩步完成，所有的更新事件在單位仿真周期末同時(shí)執(zhí)行，只有最后一個(gè)值有效，所以非阻塞賦值無(wú)法完成計(jì)數(shù)任務(wù)。阻塞賦值卻能很好地勝任，因?yàn)樽枞x值估值和更新一次性完成。

事件上，在時(shí)序邏輯中經(jīng)常碰到上述實(shí)時(shí)更新問(wèn)題，非阻塞賦值往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)，如用阻塞賦值則可很好地解決問(wèn)題。

正如阻塞賦值在時(shí)序邏輯中有重要應(yīng)用一樣，非阻塞賦值在組合邏輯中亦有不可替代的應(yīng)用。在組合邏輯中用非阻塞賦值可以把組合邏輯改造成流水線?？蓤?zhí)行如下所示純組合邏輯代碼，將生成純組合邏輯，綜合結(jié)果如圖2所示。

input a,b,c,clk,sel;

output out;

reg out,temp;

always @(posedge clk)

begin

temp = a & b; //語(yǔ)句1

if(sel)

out = temp | c; //語(yǔ)句2

else

out = c; //語(yǔ)句3

end

若把上面代碼中語(yǔ)句1、語(yǔ)句2、語(yǔ)句3阻塞賦值（" = "）改為非阻塞賦值（" <= "），則綜合結(jié)果如圖3所示。

流水線設(shè)計(jì)方法在高性能、需經(jīng)常進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)算的組合邏輯中可以到廣泛運(yùn)用。

在組合邏輯中，如在begin、end塊中同時(shí)有許多非阻塞賦值，則它們的賦值順序是并發(fā)的。實(shí)際上它們賦予的都是上一個(gè)時(shí)鐘送入寄存器的值。這與使用同一時(shí)鐘沿觸發(fā)的許多在同一個(gè)使能控制信號(hào)下賦值完全一致，并且這種賦值因?yàn)閿?shù)據(jù)保存在寄存器中，當(dāng)時(shí)鐘沿到來(lái)時(shí)都已穩(wěn)定，所以存入的數(shù)值是可靠的。用這種方法可以避免由組合邏輯產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)[2]。

在相關(guān)應(yīng)用中，非阻塞賦值能較好地解決零時(shí)刻競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問(wèn)題。因?yàn)榉亲枞x值分兩步完成，非阻塞賦值更新事件是在所有活躍與非活躍事件執(zhí)行完之后執(zhí)行，能確保所有敏感變量值在零時(shí)刻都被觸發(fā)[3]。

在同一always塊混合使用阻塞賦值與非阻塞賦值，利弊共存，混合使用的結(jié)果可能事半功倍，亦可能功虧一簣。只有了解其處理機(jī)制，深刻理解阻塞與非阻塞賦值底層實(shí)現(xiàn)的異同，方可靈活運(yùn)用。

本文通過(guò)Verilog事件處理機(jī)制，詳細(xì)討論了阻塞與非阻塞賦值的區(qū)別、聯(lián)系及其應(yīng)用示例。由本文可知，阻塞與非阻塞賦值靈活多變，底層實(shí)現(xiàn)也差異甚大。因而在數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)預(yù)期功能，從硬件實(shí)現(xiàn)出發(fā)，斟酌差異，仔細(xì)選用阻塞與非阻塞賦值才能有效避免出錯(cuò)，縮短開(kāi)發(fā)周期。