应用及分析 - Verilog HDL阻塞属性探究及其应用

　2 应用及分析

　　通常非阻塞赋值产生寄存器等存储元件，对应的物理器件是带存贮功能的元件，如寄存器、触发器等。阻塞赋值则对应网线(wire)类型，通常与物理连线对应。这是两种赋值方式的最明显的差异，也是时序逻辑用非阻塞、组合逻辑用阻塞的重要原因。但这并不是绝对的，事实上阻塞赋值对应网线(wire)型，亦可对应寄存器(reg)型;阻塞赋值也能生成存贮元件，因此不能片面理解。在组合逻辑里，锁存器可能引发测试问题，带来隐患。说明在建模时，首先要从硬件出发来考虑问题，应先在头脑中形成电路结构，由于赋值方式的不同，综合结果差异甚大，运用不当很可能会导致建模失败。阻塞赋值在时序逻辑中亦有着重要应用，在需要实时更新的组合逻辑中只有阻塞赋值能满足要求。

　　以下示例代码的功能是计算传送过来的data中1和0的个数。

　　reg [5:0]count0，count1;

　　always @(posedge clk,negedge Rst_n)

　　begin

　　if(!Rst_n)

　　...

　　else

　　begin

　　count0 = 0; //语句1

　　count1 = 0; //语句2

　　for(i = 0;i <= 11;i = i+1)

　　begin

　　if(data[i] == 1)

　　count1 = count1 + 1; //语句3

　　else if(data[i] == 0)

　　count0 = count0 - 1; //语句4

　　else

　　count0 = count0 + 0; //防止生成锁存器

　　end

　　end

　　end

　　在这段代码里，count0、count1的值必须在每次计数之前被清零，count0、count1必须实时更新。显然，只有阻塞赋值能满足要求。非阻塞赋值分两步完成，所有的更新事件在单位仿真周期末同时执行，只有最后一个值有效，所以非阻塞赋值无法完成计数任务。阻塞赋值却能很好地胜任，因为阻塞赋值估值和更新一次性完成。

　　事件上，在时序逻辑中经常碰到上述实时更新问题，非阻塞赋值往往无法实现，如用阻塞赋值则可很好地解决问题。

　　正如阻塞赋值在时序逻辑中有重要应用一样，非阻塞赋值在组合逻辑中亦有不可替代的应用。在组合逻辑中用非阻塞赋值可以把组合逻辑改造成流水线。可执行如下所示纯组合逻辑代码，将生成纯组合逻辑，综合结果如图2所示。

　　

 

　　input a,b,c,clk,sel;

　　output out;

　　reg out,temp;

　　always @(posedge clk)

　　begin

　　temp = a & b; //语句1

　　if(sel)

　　out = temp | c; //语句2

　　else

　　out = c; //语句3

　　end

　　若把上面代码中语句1、语句2、语句3阻塞赋值(" = ")改为非阻塞赋值(" <= ")，则综合结果如图3所示。

　　

 

　　流水线设计方法在高性能、需经常进行大规模运算的组合逻辑中可以到广泛运用。

　　在组合逻辑中，如在begin、end块中同时有许多非阻塞赋值，则它们的赋值顺序是并发的。实际上它们赋予的都是上一个时钟送入寄存器的值。这与使用同一时钟沿触发的许多在同一个使能控制信号下赋值完全一致，并且这种赋值因为数据保存在寄存器中，当时钟沿到来时都已稳定，所以存入的数值是可靠的。用这种方法可以避免由组合逻辑产生的竞争冒险[2]。

　　在相关应用中，非阻塞赋值能较好地解决零时刻竞争冒险问题。因为非阻塞赋值分两步完成，非阻塞赋值更新事件是在所有活跃与非活跃事件执行完之后执行，能确保所有敏感变量值在零时刻都被触发[3]。

　　在同一always块混合使用阻塞赋值与非阻塞赋值，利弊共存，混合使用的结果可能事半功倍，亦可能功亏一篑。只有了解其处理机制，深刻理解阻塞与非阻塞赋值底层实现的异同，方可灵活运用。

　　本文通过Verilog事件处理机制，详细讨论了阻塞与非阻塞赋值的区别、联系及其应用示例。由本文可知，阻塞与非阻塞赋值灵活多变，底层实现也差异甚大。因而在数字电路设计时，依据预期功能，从硬件实现出发，斟酌差异，仔细选用阻塞与非阻塞赋值才能有效避免出错，缩短开发周期。