[文档].艾米电子 - 阻塞赋值与非阻塞赋值，Verilog
主要论述Verilog中的阻塞赋值和非阻塞赋值的工作机理以及如何正确使用它们。
说明
翻译自：FPGA Prototyping By Verilog Examples: Xilinx Spartan-3 Version的第7章第一节
内容
阻塞赋值VS非阻塞赋值
有两种赋值语句被用在always块内：阻塞赋值与非阻塞赋值。关于阻塞与非阻塞复制有3条简单的准则：
- 将电路分为两部分：寄存器电路和组合电路
- 在寄存器电路中使用非阻塞赋值
- 在组合电路中使用阻塞赋值
1 概览
阻塞赋值 基本语法如下：
[var] = [expression];
当该条语句被执行时，右手边的表达式将被赋给左手边的变量，期间不允许其他语句的干扰。因此，就阻塞了其他语句，直到该条语句执行完毕为止。阻塞赋值的行为与C语言中的变量赋值类似。
非阻塞赋值 基本语法如下：
[var] <= [expression];
非阻塞赋值的行为非常令人难以琢磨。当always块被激活（在time step的开始），右手边的表达式被赋初值。当运行到always块的结尾（即time step的结尾），运算所得的值被赋给左手边的变量。
以x变量执行非阻塞赋值为例。因为Verilog模型的实际流程比较复杂，我们将非阻塞赋值的行为翻译成一下几个步骤：
- 在alway块的开始，x值传递给x_entry；
- 右手边的变量x的值被x_entry取代；
- 左手边变量x的值被x_exit取代；
- 在always块的结束，x_exit的值传递给x。
在下面的代码片段内，上述四个步骤被呈现在代码的注释中。
always@* begin // x_entry = x y <= x & ... // y = x_entry & ... x <= ... // x_exit = ... end // x = x_exit
范例 为了了解阻塞赋值和非阻塞赋值的区别，我们用三输入的的电路来做讨论。
代码1 使用阻塞赋值的电路
module and_blocking ( input a, input b, input c, output reg y ); always@* begin y = a; y = y & b; y = y & c; end endmodule
阻塞赋值的欣慰类似于C语言中的顺序赋值。y最终得到的值为a & b & c。注意，此代码仅用于示范，使用顺序语义学来描述电路是比较差劲的行为。
下面给出的代码，其中的阻塞赋值被替换为非阻塞赋值。代码注释详细说明了y的赋值动作。
代码2 使用非阻塞赋值的电路
module and_nonblocking ( input a, input b, input c, output reg y ); always@* begin // y_entry = y y <= a; // y_exit = a y <= y & b; // y_exit = y_entry & b y <= y & c; // y_exit = y_entry & c end // y = y_exit endmodule
注意always块内的前2条语句将不会产生任何效果。上述always块等价与：
always@* y <= y & c;
2 组合电路
上一个小节的范例属于极端的情况。除了缺省值，大部分的组合电路并不会多次赋值同一变量。阻塞赋值和非阻塞赋值都可以用于描述同一电路。然而，它们有一些微妙的区别。下面的范例用于解释这些不同。让我们以一位同或（异或非）电路为例。我们将详细列出敏感列表中的变量。
代码3 使用阻塞赋值的一位同或电路
module eq1_blocking ( input i0, input i1, output reg eq ); reg p0, p1; always@(i1, i2) // 只有i0和i1在敏感列表 begin // 语句的顺序非常重要 p0 = ~i0 & i1; p1 = i0 & i1; eq = p0 | p1; end endmodule
注意到敏感列表仅包括i0和i1,。当其中之一变化时，always块被激活，p0、p1和ep被顺序运算，ep在第一个time step的结尾被更新。语句的顺序非常重要。假设性我们移动最后面的语句到最前面。
always@(i1, i2) begin eq = p0 | p1; p0 = ~i0 & i1; p1 = i0 & i1; end
在第一条语句中，由于p0和p1还没有被指定新的值，因此先前被激活的值将会被用到。而先前的值将意味着锁存器的存在，故此代码是不正确的。
下面将使用非阻塞赋值替换阻塞赋值。
代码4 使用非阻塞赋值的一位同或电路
module eq1_nonblocking
(
input i0,
input i1,
output reg eq
);
reg p0, p1;
always@(i1, i2, p0, p1) // p0、p1也在敏感列表中
// 语句的顺序不重要
begin // p0_entry = p0; p1_entry = p1
p0 <= ~i0 & i1; // p0_exit = ~i0 & ~i1
p1 <= i0 & i1; // p1_exit = i0 & i1
eq <= p0 | p1; // eq_exit = p0_entry | p1_entry
end // eq = eq_exit; p0 = p0_exit; p1 = p1_exit
endmodule
注意p0和p1也包括在敏感列表中。当i0或i1变化时，always块被激活；在第一个time step的结尾，p0和p1被赋以新值。既然ep取决于p0和p1（p0_entry和p1_entry）的旧值，那么其值在第一个time step的结尾保持不变。当当前的time step执行完毕，always块重新被激活，因为p0和p1发生了变化（这便于为何p0和p1也要置于敏感列表之中的原因）。注意语句的顺序不影响结果。
3 存储单元
使用非阻塞赋值来引用存储器。例如，D触发器：
always@(posede clk) q <= d;
当然也可以用阻塞赋值来引用D触发器，如下：
always@(posede clk) q = d;
虽然在单个D-FF情况下面，上面的代码工作正常，但是当多个寄存器互相动作的时候，这里就出现许多微妙的问题。
考虑两个寄存器在每个时钟周期交换数据。使用阻塞赋值，代码为：
always@(posede clk) a = b; always@(posede clk) b = a;
在clk的上升沿，两个always块都被激活，并行操作。这两个操作应该在同一time step结束。根据Verilog的标准，两个always块的执行可以以任何顺序列入。若第一个always块先执行，则由于阻塞赋值的缘故a立即得到b的值。当第二个always块执行的时候，b得到a的刷新值，及b的原始值，因此b保持不变。类似的，若第二个always块先执行，a得到的也是其初始值。这就是Verilog中的竞争冒险（race condition）。从Verilog的角度看，两种结果都是有效的。
下面我们修改代码中的阻塞赋值为非阻塞赋值。
always@(posede clk) begin // b_entry = b a <= b; // a_exit = b_entry end // a = a_exit always@(posede clk) begin // a_entry = a b <= a; // b_exit = a_entry end // b = b_exit
通过注释我们看到，因为输入（entry）值都被用于赋值，所以无论执行的顺序，a和b都得到正确的值。
因此为了避免竞争冒险，我们使用非阻塞赋值来引用D-FF和触发器。
4 混用阻塞和非阻塞赋值的时序电路
在同一个always块内，有可能混用阻塞赋值和非阻塞赋值。下面我们使用简单的例程来解释不同组合的行为，以加强对赋值的理解。
图4.1 通过混合赋值来引用电路
考虑图4.1(b)所示的原理图。当时钟上升沿来临之时，a、b与运算所得的值被存入D-FF。基于前面的讲解，我们可以将存储和组合电路分配到两段代码中。如代码4.1所示。
代码4.1 两段实现
module ab_dff_2seg ( input clk, input a, input b, output reg q ); reg q_next; // D-FF always@(posedge clk) q <= q_next; // 组合电路 always@* q_next = a & b; endmodule
我们可以变换一下，将两段组合在一起，使用单个always块来描述电路。下面通过六次尝试，来描述阻塞和非阻塞赋值的不同组合的区别。如代码4.2所示。
代码4.2 混合赋值例程
module ab_dff_mix ( input clk, input a, input b, output reg q0, output reg q1, output reg q2, output reg q3, output reg q4, output reg q5 ); reg ab0, ab1, ab2, ab3, ab4, ab5; // 尝试0 always@(posedge clk) begin ab0 = a & b; q0 <= ab0; end // 尝试1 always@(posedge clk) begin // ab1_entry = ab1; q1_entry = q1 ab1 <= a & b; // ab1_exit = a & b q1 <= ab1; // q1_exit = ab1_entry end // ab1 = ab1_exit; q1 = q1_exit // 尝试2 always@(posedge clk) begin ab2 = a & b; q2 = ab2; end // 尝试3（调换尝试1的顺序） always@(posedge clk) begin q0 <= ab0; ab0 = a & b; end // 尝试4（调换尝试2的顺序） always@(posedge clk) begin // ab4_entry = ab4; q4_entry = q4 q4 <= ab4; // q4_exit = ab4_entry ab4 <= a & b; // ab4_exit = a&b end // ab4 = ab4_exit; q4 = q4_exite // 尝试5（调换尝试3的顺序） always@(posedge clk) begin q5 = ab5; ab5 = a & b; end endmodule
在尝试0中，起初赋值给ab0和q0将引用两个寄存器，一个用于存储寄存器ab0，另一个用于存储寄存器q0。因为ab0在块赋值时被立即更新，所以q0得到了a&b的值。对应的原理图如图4.1(a)所示。由于ab0在always块外没有被使用，因此寄存器ab0的输出就不是必需存在的，即相应的寄存器可以被移除。这样，结果电路就如图4.1(b)所示，也就是所需的电路。
在尝试1中，对ab1使用了非阻塞赋值，对应的阐述写到了注释里面。注意q1得到的是ab1_entry而非ab1_exit。而ab1_entry是先前存储的ab值，即对应一个寄存器的输出。相应的原理图如图4.1(c)所示。一个不确定的输入缓存被引用，同时a&b的值延迟一个时钟周期后才被存储到q1中。
在尝试2中，ab2和q2都是用了阻塞赋值。该代码所引用的电路，与尝试1等同，如图4.1(a)和(b)所示。由于使用阻塞赋值来引用D-FF，有可能产生竞争冒险，因此不推荐使用这种类型的代码。
出于演示的目的，让我们来测试一下调换尝试0、1和2的赋值顺序会发生什么。其结果代码如尝试4、5和6所示。在尝试3中，ab3未更新便被使用，因此q3得到的是先前激活块所产生的值。所引用的电路如4.1(c)所示。而尝试4，交换语句的顺序不影响综合的效果，因此等同于尝试1。尝试5中，由于ab5未更新值便被使用，因此q5得到的寄存器a&b的值，等同于尝试3。
简而言之，只有尝试0描述的电路正确且可靠。在尝试0中，我们可以将ab0移除，合并代码如下：
// 尝试0 always@(posedge clk) begin q0 <= a & b; end
推荐阅读
1 SNUG.Nonblocking Assignments in Verilog Synthesis, Coding Styles That Kill!
参考
1 Pong P. Chu.FPGA Prototyping By Verilog Examples: Xilinx Spartan-3 Version.Wiley
