(原創) 深入探討blocking與nonblocking (SOC) (Verilog)

Abstract
Verilog雖然是個語法簡單的語言，但是blocking與nonblocking卻是大家學習Verilog時永遠的痛，即時是很資深的IC Designer，也未必完全搞清楚兩者的差異，本文試著以simulator與synthesizer的角度去探討之。

Introduction
使用環境：NC-Verilog 5.4 + Debussy 5.4 v9 + Quartus II 7.2

軟體的語言都是一行一行依序執行，這與Verilog的blocking觀念一樣，但偏偏Verilog還有個nonblocking，而且在寫同步電路時，還一定得用nonblocking寫，到底blocking與nonblocking有什麼不同呢?我在(筆記)如何使用blocking與nonblocking assignment? (SOC) (Verilog)這篇討論過幾個簡單的原則，基本上只要依照這幾個原則去寫RTL，就能保證simulation的與synthesis的結果一致，但當時我並沒有討論其原因，只是將規則背下來而已。

在正式討論之前，請各位先做個小測驗，考驗您的觀念是否正確：

blocking.v / Verilog 

 /* 
2 (C) OOMusou 2010 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4 Filename    : blocking.v
5 Simulator   : NC-Verilog 5.4
6 Description : blocking assignment in always block
7 Release     : Jul/30/2010 1.0
8 */
9 
10 module blocking (
11   clk,
12   rst_n,
13   a_i,
14   b_i,
15   a_o,
16   b_o
17 );
18 
19 input clk;
20 input rst_n;
21 input a_i;
22 input b_i;
23 output a_o;
24 output b_o;
25 
26 reg a;
27 reg b;
28 
29 assign a_o = a;
30 assign b_o = b;
31 
32 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
33   if (~rst_n) begin
34     a = a_i;
35     b = b_i;
36   end
37   else begin
38     a = b;
39     b = a;
40   end
41 end
42 
43 endmodule

blocking_tb.v / Verilog 

 /* 
2 (C) OOMusou 2010 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4 Filename    : blocking_tb.v
5 Simulator   : NC-Verilog 5.4
6 Description : testbench of blocking assignment in always block
7 Release     : Jul/30/2010 1.0
8 */
9 
10 `include "blocking.v"
11 
12 module blocking_tb;
13 
14 reg clk;
15 reg rst_n;
16 reg a_i;
17 reg b_i;
18 wire a_o;
19 wire b_o;
20 
21 initial begin
22   clk = 1'b0;
23   rst_n = 1'b0;
24   a_i = 1'b1;
25   b_i = 1'b0;
26   #5;
27   rst_n = 1'b1;
28   #100;
29   $finish;
30 end
31 
32 always #10 clk = ~clk;
33 
34 initial begin
35   $fsdbDumpfile("blocking.fsdb");
36   $fsdbDumpvars(0, blocking_tb);
37 end
38 
39 blocking blocking_0 (
40   .clk(clk),
41   .rst_n(rst_n),
42   .a_i(a_i),
43   .b_i(b_i),
44   .a_o(a_o),
45   .b_o(b_o)
46 );
47 
48 endmodule

nonblocking.v / Verilog 

 /* 
2 (C) OOMusou 2010 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4 Filename    : nonblocking.v
5 Simulator   : NC-Verilog 5.4
6 Description : nonblocking assignment in always block
7 Release     : Jul/30/2010 1.0
8 */
9 
10 module nonblocking (
11   clk,
12   rst_n,
13   a_i,
14   b_i,
15   a_o,
16   b_o
17 );
18 
19 input clk;
20 input rst_n;
21 input a_i;
22 input b_i;
23 output a_o;
24 output b_o;
25 
26 reg a;
27 reg b;
28 
29 assign a_o = a;
30 assign b_o = b;
31 
32 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
33   if (~rst_n) begin
34     a <= a_i;
35     b <= b_i;
36   end
37   else begin
38     a <= b;
39     b <= a;
40   end
41 end
42 
43 endmodule

nonblocking_tb.v / Verilog 

 /* 
2 (C) OOMusou 2010 http://oomusou.cnblogs.com
3 
4 Filename    : nonblocking_tb.v
5 Simulator   : NC-Verilog 5.4
6 Description : testbench of nonblocking assignment in always block
7 Release     : Jul/30/2010 1.0
8 */
9 
10 `include "nonblocking.v"
11 
12 module nonblocking_tb;
13 
14 reg clk;
15 reg rst_n;
16 reg a_i;
17 reg b_i;
18 wire a_o;
19 wire b_o;
20 
21 initial begin
22   clk = 1'b0;
23   rst_n = 1'b0;
24   a_i = 1'b1;
25   b_i = 1'b0;
26   #5;
27   rst_n = 1'b1;
28   #100;
29   $finish;
30 end
31 
32 always #10 clk = ~clk;
33 
34 initial begin
35   $fsdbDumpfile("nonblocking.fsdb");
36   $fsdbDumpvars(0, nonblocking_tb);
37 end
38 
39 nonblocking nonblocking_0 (
40   .clk(clk),
41   .rst_n(rst_n),
42   .a_i(a_i),
43   .b_i(b_i),
44   .a_o(a_o),
45   .b_o(b_o)
46 );
47 
48 endmodule

以上為完整的RTL與testbench，其實真正的差異只有以下兩部份，其他部分完全一樣：

1.在always block使用blocking

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (~rst_n) begin
    a = a_i;
    b = b_i;
  end
  else begin
    a = b;
    b = a;
  end
end

2.在always block使用nonblocking 

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (~rst_n) begin
    a <= a_i;
    b <= b_i;
  end
  else begin
    a <= b;
    b <= a;
  end
end

請先把你自己當成simulator，實際模擬一下結果為何。

以下為使用NC-Verilog + Debussy所模擬的結果：

blocking.v

 

nonblocking.v

你所預期的結果與simulator一樣嗎?

以Simulator角度探討blocking與nonblocking

blocking

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (~rst_n) begin
    a = a_i;
    b = b_i;
  end
  else begin
    a = b;
    b = a;
  end
end

先討論較好理解的blocking，所謂的blocking，就是一行程式執行完才能執行下一行，所以在clk rising edge時，先將b的值給a，然後再將a的值給a，也就是說，在clk rising edge之後，a = b = 0，這與C的觀念一樣。

nonblocking

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if (~rst_n) begin
    a <= a_i;
    b <= b_i;
  end
  else begin
    a <= b;
    b <= a;
  end
end

再來討論nonblocking，在clk rising edge時，a <= b，b <= a，這到底要怎麼理解呢?這必須牽涉到simulator的event queue如何處理這些event。

在討論evnet之前，先解釋兩個專有名詞，RHS與LHS。

RHS：在 =  或 <= 右邊的運算式或變數

LHS：在 = 或 <= 左邊的運算式或變數

由於電腦軟體本身是依序執行(也就是如C一樣程式一行一行的執行)，但硬體電路卻可併行執行，simulator是軟體寫的，卻要能夠模擬出硬體電路的的並行執行，也就是如在5 ns時，同時有很多信號被處理，所以才有event queue的概念，將同一個time step要處理的信號放在一個event queue，simulator再依序處理，處理完後再處理下一個time step，這樣就能使依序執行的simulator可以模擬出並行執行的硬體電路。

在IEEE Verilog standard定義了以下的event queue讓simulator廠商實作，至於該如何實作是各廠商的商業機密。

 

絕大部分的event都會放在Active Events queue內，包括blocking assignments、blocking的RHS、continuous assignments、$display()..等，也就是說當某個time step到達時，會執行Active Events queue的event，但Verilog IEEE standard並沒有保證在Active Events queue內event的執行順序(所以一些不良的coding style可能會造成race condition，這又是另外一個Verilog很惱人的issue，再另闢專文討論)，值得注意的是nonblocking的RHS是放在Active Events queue，但沒有包含nonblocking的LHS。

在IEEE standard有定義演算法介紹其他Event queue如何加進Active Events，在這就不多談，這裡的重點是有一個Nonblocking Events queue專門放nonblocking的LHS，會在適當的時機加入Active Events queue執行。

所以由此可知，由於RHS of nonblocking放在Active Events，所以會先執行，之後等在Nonblocking Events queue的LHS of nonblocking進入Active Events queue後再執行。

因此整個nonblocking可視為兩個步驟的行為：

1.在clk rising edge的一開始執行RHS。

2.在clk rising edge快結束時執行LHS。

所以在 a <= b, b <= a時，clk rising edge一開始先執行RHS，也就是a = 1，b = 0，然後再執行LHS，因此a = 0，b = 1，因此nonblocking不會如blocking因為a已經更新了，因而改變了b的值。可以發現，blocking會因為程式的撰寫順序而有不同的值，但nonblocking卻不會因為程式的撰寫順序而有影響，原因是nonblocking的執行是2個步驟，而blocking的執行是1個步驟。

以Synthesizer角度探討blocking與nonblocking

寫Verilog最擔心的是simulation時正常，但synthesis後卻不是你要的，因此我們實際在Quartus II跑看看，看看經過P&R之後，是否與NC-Verilog的結果一樣，並使用RTL Viewer看看Quartus II如何synthesis。

blocking.v

 

nonblocking.v

 

除了加上delay外，基本上波形與NC-Verilog所模擬的一樣。

blocking.v

 

雖然在code中宣告了2個reg，但synthesizer只會合成出1個register，也就是a = b, b = a只delay了1個clk。

nonblocking.v

 

會合成出2個register，符合我們的預期，也就是 a <= b, b <= a會delay 2個clk。

完整程式碼下載
blocking.7z (NC-Verilog + Debussy)
blocking_quartus_ii.7z (Quartus II)
nonblocking.7z (NC-Verilog + Debussy)
nonblocking_quartus_ii.7z (Quartus II)

Conclusion
本文試著用最淺顯易懂的方式解釋blocking與nonblocking的差異，並從simulator與synthesizer的角度同時去思考，若想得知更完整的資訊，可參考Reference的paper與書籍。

See Also
(筆記)如何使用blocking與nonblocking assignment? (SOC) (Verilog)
(筆記) Cliff Cummings的paper大全 (SOC) (Verilog)

(筆記) $dispaly()、$strobe()、$monitor() 、$fwrite()與blocking / nonblocking的關係 (SOC) (Verilog) (Debussy) (Verdi)

Reference
Clifford E. Cummings 2000, Nonblocking Assignments in Verilog Synthesis, Coding Styles That Kills, Sunburst Design, Inc.
夏宇文 2008, Verilog數字系統設計教程, 北京航空航天大學出版社