Verilog初级教程（15）Verilog中的阻塞与非阻塞语句

前言

本文通过仿真的方式，形象的说明阻塞赋值以及非阻塞赋值的区别，希望和其他教程相辅相成，共同辅助理解。

正文

阻塞赋值

阻塞赋值语句使用=进行赋值，并在程序块中一个接一个地执行。但是，这不会阻止在并行块中运行的语句的执行。
通过仿真最容易理解，下面是仿真文件：

module tb;
  reg [7:0] a, b, c, d, e; initial begin a = 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); b = 8'hF1; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); c = 8'h30; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);
  end initial begin d = 8'hAA; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
 	e = 8'h55; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
  end
endmodule

  

 

  
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请注意，当仿真开始时，有两个初始块是并行执行的。语句在每个块中依次执行，两个块在时间0ns处结束。更具体的说，变量a首先被分配，然后是显示语句，接着是所有其他语句。这在输出中可以看到，变量b和c在第一条显示语句中是8’hxx。这是因为当调用第一个$display时，变量b和c的赋值还没有被执行。

打印执行结果：

[0] a=0xda b=0xxx c=0xxx
[0] a=0xda b=0xf1 c=0xxx
[0] a=0xda b=0xf1 c=0x30
[0] d=0xaa e=0xxx
[0] d=0xaa e=0x55

  

 

  
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在接下来的例子中，我们将在同一组语句中添加一些延迟，看看它的表现。

module tb;
  reg [7:0] a, b, c, d, e; initial begin a = 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); #10 b = 8'hF1; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); c = 8'h30; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);
  end initial begin #5 d = 8'hAA; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
 	#5 e = 8'h55; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
  end
endmodule

  

 

  
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仿真记录：

Time resolution is 1 ps
[0] a=0xda b=0xxx c=0xxx
[5000] d=0xaa e=0xxx
[10000] a=0xda b=0xf1 c=0xxx
[10000] a=0xda b=0xf1 c=0x30
[10000] d=0xaa e=0x55


  

 

  
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综上，顺序执行或者串行执行一览无余。

非阻塞赋值

非阻塞赋值允许在不阻塞下面语句执行的情况下安排赋值，并由<=符号指定。值得注意的是，同一个符号在表达式中被用作关系运算符，在非阻塞赋值的上下文中被用作赋值运算符。如果我们以上面的第一个例子为例，将all = symobls替换为非阻塞赋值操作符<=，我们会看到输出的结果有一些不同。

module tb;
  reg [7:0] a, b, c, d, e; initial begin a <= 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); b <= 8'hF1; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); c <= 8'h30; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);
  end initial begin d <= 8'hAA; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
 	e <= 8'h55; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
  end
endmodule

  

 

  
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先给出仿真结果：

Time resolution is 1 ps
[0] a=0xxx b=0xxx c=0xxx
[0] a=0xxx b=0xxx c=0xxx
[0] a=0xxx b=0xxx c=0xxx
[0] d=0xxx e=0xxx
[0] d=0xxx e=0xxx

  

 

  
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看到所有的$display语句都打印了’h’x。这种行为的原因在于非阻塞赋值的执行方式。特定时间步长的每一条非阻塞语句的RHS都会被捕获，并转入下一条语句。被捕获的RHS值只有在时间步长结束时才会分配给LHS变量。

所以，如果我们把上面例子的执行流程分解一下，我们会得到如下图所示的东西。
注：从前几期可以知道RHS为右值。

|生成块1：初始化
| 时间 #0ns : a <= 8'DA, 为非阻塞，所以记下 RHS (8'hDA) 的值并执行下一步。
| 时间#0ns : $display()阻塞了，所以执行这条语句，但是a还没有收到新的值，所以a=8'hx。
| 时间 #0ns : b <= 8'F1, 为非阻塞，所以记下 RHS 的值 (8'hF1) 并执行下一步。
| 时间#0ns : $display()阻塞，所以执行此语句。但b还没有收到新的值，所以b=8'hx。
| 时间#0ns : c <= 8'30, 非阻塞，所以记下RHS值(8'h30)并执行下一步。
| 时间#0ns : $display()被阻塞，所以执行这条语句，但c还没有收到新的值，所以c=8'hx。
| 时间步骤和初始块结束，将捕获的值分配到变量a、b、c中。
|
|生成块2：初始化
| 时间#0ns : d <= 8'AA, 为非阻塞，所以记下RHS值(8'hAA)并执行下一步。
| 时间#0ns : $display()被阻塞，所以执行这条语句，但d还没有收到新的值，所以d=8'hx。
| 时间#0ns : e <= 8'55, 是非阻塞的，所以记下RHS值(8'h55)并执行下一步。
| 时间#0ns : $display()阻塞，所以执行这条语句，但e没有收到新的值，所以e=8'hx。
| 时间步骤和初始块结束，将捕获的值分配到变量d和e中。
|
|仿真结束在#0ns

  

 

  
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接下来，我们用第二个例子，将所有阻塞语句替换成非阻塞语句。

module tb;
  reg [7:0] a, b, c, d, e; initial begin a <= 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); #10 b <= 8'hF1; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); c <= 8'h30; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);
  end initial begin #5 d <= 8'hAA; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
 	#5 e <= 8'h55; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
  end
endmodule

  

 

  
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恐怕这就有点让人头大了。

给出仿真结果，在进行分析：

Time resolution is 1 ps
[0] a=0xxx b=0xxx c=0xxx
[5000] d=0xxx e=0xxx
[10000] a=0xda b=0xxx c=0xxx
[10000] a=0xda b=0xxx c=0xxx
[10000] d=0xaa e=0xxx


  

 

  
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这种仿真结果的意思说明了阻塞赋值的特性，即在当前时刻不立即赋值，只有在一定时间步长结束时才赋值。
上面的例子，在0时刻，执行了如下语句：

 a <= 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);

  

 

  
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由于是非阻塞赋值，所以当前a并不能立即得到右值8’hDA，拿第一个initial为例，在10ns，就得到了这个值8’hda，但是其他值（b和c）仍然为x。
下一个非10ns时刻，我们就可以得到a、b和c的具体值，为了验证，我们添加一条语句：

#1 $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);

  

 

  
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整体程序为：

module assign_tb();
  reg [7:0] a, b, c, d, e; initial begin a <= 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); #10 b <= 8'hF1; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); c <= 8'h30; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); #1 $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); end initial begin #5 d <= 8'hAA; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
 	#5 e <= 8'h55; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
  end
endmodule

  

 

  
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仿真结果：

Time resolution is 1 ps
[0] a=0xxx b=0xxx c=0xxx
[5000] d=0xxx e=0xxx
[10000] a=0xda b=0xxx c=0xxx
[10000] a=0xda b=0xxx c=0xxx
[10000] d=0xaa e=0xxx
[11000] a=0xda b=0xf1 c=0x30

  

 

  
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我们主要关注：

[11000] a=0xda b=0xf1 c=0x30

  

 

  
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可见，得到了验证。

最后，给出这段非阻塞赋值仿真程序的执行过程：

module tb;
  reg [7:0] a, b, c, d, e; initial begin a <= 8'hDA; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); #10 b <= 8'hF1; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c); c <= 8'h30; $display ("[%0t] a=0x%0h b=0x%0h c=0x%0h", $time, a, b, c);
  end initial begin #5 d <= 8'hAA; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
 	#5 e <= 8'h55; $display ("[%0t] d=0x%0h e=0x%0h", $time, d, e);
  end
endmodule

  

 

  
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|在#0ns处生成Block1：初始化。
| 时间 #0ns : a <= 8'DA, 为非阻塞，所以记下 RHS (8'hDA) 的值并执行下一步。
| 时间#0ns : $display()阻塞了，所以执行这条语句，但是a还没有收到新的值，所以a=8'hx。
| 时间步骤结束：将捕获的值分配给变量a，现在a是8'hDA。
| 等到时间前进10个时间单位到#10ns。
|	
| 时间 #10ns : b <= 8'F1, 非阻塞，所以记下 RHS 的值 (8'hF1) 并执行下一步。
|时间#10ns : $display()阻塞，所以执行这条语句。但b还没有收到新的值，所以b=8'hx。
| 时间#10ns : c <= 8'30, 是非阻塞的，所以记下RHS值(8'h30)并执行下一步。
| 时间#10ns : $display()阻塞，所以执行此语句。但是c没有收到新的值，所以c=8'hx。
| 时间步骤和初始块结束，将捕获的值分配到变量b、c中。
|	
|在#0ns处生成Block2：初始化。
| 等到时间前进5个时间单位到#5ns。
|	
| 时间 #5ns : d <= 8'AA, 为非阻塞，所以记下 RHS 的值 (8'hAA) 并执行下一步。
| 时间#5ns : $display()阻塞，所以执行此语句。但d没有收到新的值，所以d=8'hx。
| 时间步骤结束：将捕获的值分配给变量d，现在d是8'hAA。
| 等到时间前进5个时间单位到#5ns。
|	
| 时间#10ns : e <= 8'55, 非阻塞，所以记下RHS值(8'h55)并执行下一步。
| 时间#10ns : $display()阻塞，所以执行这条语句，但e还没有收到新的值，所以e=8'hx。
| 时间步骤和初始块结束，将捕获的值分配给变量e，现在e是8'h55。
|
|仿真结束在#10ns

  

 

  
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往期回顾

Verilog初级教程（14）Verilog中的赋值语句

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Verilog初级教程（12）Verilog中的generate块

Verilog初级教程（11）Verilog中的initial块

Verilog初级教程（10）Verilog的always块

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Verilog初级教程（8）Verilog中的assign语句

Verilog初级教程（7）Verilog模块例化以及悬空端口的处理

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