Verilog基础:时序调度中的竞争(四)(描述时序逻辑时使用非阻塞赋值)

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Verilog基础https://blog.csdn.net/weixin_45791458/category_12263729.html?spm=1001.2014.3001.5482


作为一个硬件描述语言,Verilog HDL常常需要使用语句描述并行执行的电路,但其实在仿真器的底层,这些并行执行的语句是有先后顺序的,然而Verilog标准并没有将这些事件调度的顺序定死,而是给予了仿真器厂商一定的自由去实现自己的产品,这就导致了设计者如果不遵循一定的编程习惯,会导致意想不到的仿真结果,下面是一些相关的规则。

4、描述时序逻辑时使用非阻塞赋值

首先以一个三级触发器为例说明描述时序逻辑时使用非阻塞赋值,其电路如图1所示。

图1 一个触发器组

例1

如果使用例1所示的阻塞赋值,顺序执行的阻塞赋值会导致d在时钟上升沿被直接传递到q3,最后的仿真结果(图2)和综合结果(图3)都只有一级触发器。

# 例1
module example1 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d; 
  input        clk; 
  reg    [7:0] q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk) begin 
    q1 = d; 
    q2 = q1; 
    q3 = q2; 
  end
endmodule

图2 例1的仿真结果

图3 例1的综合结果

例2

例2将例1中的三个阻塞赋值重排序了,以描述一个三级触发器的行为,q3首先得到q2的值,随后q2再得到q1的值,最后才更新q1,最后的仿真结果(图4)和综合结果(图5)都是三级触发器。

# 例2
module example2 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d;
  input        clk;
  reg    [7:0] q3, q2, q1;
  always @(posedge clk) begin
    q3 = q2;
    q2 = q1; 
    q1 = d; 
  end
endmodule

图4 例2的仿真结果

图5 例2的综合结果

虽然看起来很完美,但例2其实是有问题的,如果在该模块后某个触发器采样了q3(或与q3有关的组合逻辑),则此时q3可能使用未更新的值(正确),也可能使用已更新的值(错误),下面的例3说明了这种情况。

例3

例3在三级触发器后又加了一个触发器,在时钟上升沿时,q3的值会更新同时q4的值也会,谁先执行是一个取决于仿真器的未定义行为。如果q4先更新,则q4得到的是q3旧值(正确);如果q3先更新,则q4得到的是q3新值(错误),如图6的仿真结果所示。即使图7所示的综合结果是正确的,但这会造成前仿和后仿的不一致。

# 例3
module example3 (q4, d, clk); 
  output [7:0] q4; 
  input  [7:0] d;
  input        clk;
  reg    [7:0] q4, q3, q2, q1;
  always @(posedge clk) begin
    q3 = q2;
    q2 = q1; 
    q1 = d; 
  end
  
  always @(posedge clk) begin
    q4 = q3;      
 // q4 <= q3;   这两种赋值都会导致竞争
  end
endmodule

图6 例3的仿真结果(一种可能,错误)

图7 例3的综合结果

例4

如果理解了上面的例3,那么将例3拆成三个always块的例4毫无疑问是一种会导致前仿和后仿不一致的写法,因为不同always块的执行顺序是不确定的。图8展示的仿真结果表示,该仿真器选择从下到上执行这三个always块,因此得到了和例1一样的结果。从图9所示的综合结果来看是正确的。

# 例4
module example4 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d;
  input        clk;
  reg    [7:0] q3, q2, q1;
  always @(posedge clk) begin
    q3 = q2;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q2 = q1;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q1 = d;
  end
endmodule

图8 例4的仿真结果(一种可能,错误)

图9 例4的综合结果

例5

例5在例4的基础上,将always块的顺序调换了,图10展示的仿真结果表示,该仿真器选择从下到上执行这三个always块,因此得到了和例2一样的结果。从图11所示的综合结果来看是正确的。

# 例5
module example5 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d;
  input        clk;
  reg    [7:0] q3, q2, q1;
  always @(posedge clk) begin
    q1 = d;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q2 = q1;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q3 = q2;
  end
endmodule

图10 例5的仿真结果(一种可能,正确)

图11 例5的综合结果

上面四种使用阻塞赋值的方法中,只有一种能保证仿真结果正确,即使三种的综合结果是正确的。

例6

例6以非阻塞赋值重写了例1,由于非阻塞赋值分两步执行,首先是<=右侧表达式值的计算,在当前仿真时间的最后才将右侧表达式值赋值给左值。因此q2得到的是q1的旧值,而q3得到的也是q2的旧值,如仿真结果图12所示,这时的综合结果如图13所示,也是正确的。

# 例6
module example6 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d; 
  input        clk; 
  reg    [7:0] q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk) begin 
    q1 <= d; 
    q2 <= q1; 
    q3 <= q2; 
  end
endmodule

图12 例6的仿真结果

图13 例6的综合结果

例7

例7以非阻塞赋值重写了例2,但仿真结果和综合结果依旧如图12和图13所示,因为此时所有值的更新都是在最后进行的,不会影响<=右侧表达式的计算结果。

# 例7
module example7 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d; 
  input        clk; 
  reg    [7:0] q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk) begin
    q3 <= q2;
    q2 <= q1;
    q1 <= d; 
  end
endmodule

例8

例8以非阻塞赋值重写了例4,虽然不同always块的执行顺序是不确定的,但这只表示<=右侧表达式值的计算顺序是不确定的,右侧表达式值赋值给左值的顺序是不确定的,这不会对结果有任何影响,所有右侧表达式值赋值给左值还是发生在右侧表达式值的计算前。仿真结果和综合结果依旧如图12和图13所示。

# 例8
module example8 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d;
  input        clk;
  reg    [7:0] q3, q2, q1;
  always @(posedge clk) begin
    q3 <= q2;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q2 <= q1;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q1 <= d;
  end
endmodule

例9

例9以非阻塞赋值重写了例5,与例8同理,仿真结果和综合结果依旧如图12和图13所示。

# 例9
module example9 (q3, d, clk); 
  output [7:0] q3; 
  input  [7:0] d;
  input        clk;
  reg    [7:0] q3, q2, q1;
  always @(posedge clk) begin
    q1 <= d;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q2 <= q1;
  end

  always @(posedge clk) begin
    q3 <= q2;
  end
endmodule

上面四种使用非阻塞赋值的方法中,全部能保证仿真结果和综合结果正确。上面的九个例子说明了在描述时序逻辑时,最好使用非阻塞赋值。

例10

例10展示了一个使用阻塞赋值实现的线性反馈移位寄存器(LFSR),关于这种结构的详细介绍,可见数字IC前端学习笔记:LFSR(线性反馈移位寄存器)

module example10 (q3, clk, pre_n); 
  output q3; 
  input  clk, pre_n; 
  reg    q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) {q3,q2,q1} = 3'b111; 
    else        {q3,q2,q1} = {q2,(q1^q3),q3}; 
endmodule

例10将所有的赋值写在了一行,保证了赋值的正确,但这种风格是不建议的,会让debug变得更加复杂。可以发现,例10无法使用例2中将阻塞赋值重排序的方法实现,因为其是有互相依赖,即q3依赖q2而q2依赖于q3。而且,例10仍然有例3所示的前仿和后仿不一致的问题。

例11

例11以非阻塞赋值重写了例10,解决了例10存在的前仿和后仿不一致的问题。

module example11 (q3, clk, pre_n); 
  output q3; 
  input  clk, pre_n; 
  reg    q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) {q3,q2,q1} <= 3'b111; 
    else        {q3,q2,q1} <= {q2,(q1^q3),q3}; 
endmodule

例12

例12将例11拆成了一个always块中的三个非阻塞赋值,仿真结果和综合结果和例11一致。

module example12 (q3, clk, pre_n); 
  output q3; 
  input  clk, pre_n; 
  reg    q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q1 <= 1'b1; 
      q2 <= 1'b1;
      q3 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q1 <= q3; 
      q2 <= q1^q3;
      q3 <= q2;
    end   
endmodule

例13

例13将例12中的三个非阻塞赋值重排序了,仿真结果和综合结果和例11一致。

module example13 (q3, clk, pre_n); 
  output q3; 
  input  clk, pre_n; 
  reg    q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q3 <= 1'b1; 
      q2 <= 1'b1;
      q1 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q3 <= q2;
      q2 <= q1^q3;
      q1 <= q3; 
    end   
endmodule

例14

例14将例11拆成了三always块,仿真结果和综合结果和例11一致。

module example14 (q3, clk, pre_n); 
  output q3; 
  input  clk, pre_n; 
  reg    q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q3 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q3 <= q2;
    end   

  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q2 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q2 <= q1^q3;
    end 

  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q1 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q1 <= q3; 
    end 
endmodule

例15

例15在例14的基础上,将always块的顺序调换了,仿真结果和综合结果和例11一致。

module example15 (q3, clk, pre_n); 
  output q3; 
  input  clk, pre_n; 
  reg    q3, q2, q1; 
  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q1 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q1 <= q3; 
    end 

  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q2 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q2 <= q1^q3;
    end 

  always @(posedge clk or negedge pre_n)  
    if (!pre_n) begin
      q3 <= 1'b1;
    end
    else begin
      q3 <= q2;
    end 
endmodule

本文是基于**《CUMMINGS, Clifford E., et al. Nonblocking assignments in verilog synthesis, coding styles that kill!. SNUG (Synopsys Users Group) 2000 User Papers, 2000. 》**的进一步阐述,感谢Clifford E. Cummings对此做出贡献。

原文链接:http://www.sunburst-design.com/papers/CummingsSNUG2000SJ_NBA.pdf

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