简述Verilog HDL中阻塞语句和非阻塞语句的区别

 

在Verilog中有两种类型的赋值语句：阻塞赋值语句（“=”）和非阻塞赋值语句（“<=”）。正确地使用这两种赋值语句对于Verilog的设计和仿真非常重要。

Verilog语言中讲的阻塞赋值与非阻塞赋值，但从字面意思来看，阻塞就是执行的时候在某个地方卡住了，等这个操作执行完在继续执行下面的语句，而非阻塞就是不管执行完没有，我不管执行的结果是什么，反正我继续下面的事情。而Verilog中的阻塞赋值与非阻塞赋值正好也是这个意思，通过执行一个例子，就可以简单地明白了：
1、阻塞赋值可以理解为语句的顺序执行，因此语句的执行顺序很重要
2、非阻塞赋值可以理解为语句的并行执行，所以语句的执行不考虑顺序
3、在assign的结构中，必须使用的是阻塞赋值

也就是说：

阻塞：在本语句中“右式计算”和“左式更新”完全完成之后，才开始执行下一条语句；
非阻塞：当前语句的执行不会阻塞下一语句的执行。

下面给出实例来说明：

给出相应的案例来帮助理解：

 

 

module prj1(in,b,c,d,clk,rst_n);

input in;
input clk;
input rst_n;
output b,c,d;
reg b,c,d;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        b <=0;
        c <=0;
        d <=0;
    end
    else begin
        b <=in;
        c <=b;
        d <=c;
        end
    end
endmodule

 

 

这个目的是为了展示非阻塞赋值过程中的时序变化，对应的RTL电路图和仿真波形如下图：

从仿真图可以看书，b,c,d是在每个时钟后依次传递的，如果采用阻塞赋值，如果in改变，那么b,c,d立刻改变，这个就在这里不给出仿真。

阻塞赋值和非阻塞赋值的另外一个区别在于综合的时候，如果输出只有d，bc作为中间变量，阻塞赋值在综合的过程中会自动省略掉中间过程。给出如下仿真，理解更为清楚

 

 

module prj1(in,b,c,clk,rst_n);

input in;
input clk;
input rst_n;
output b,c;
reg b,c, e,f, m,n;
/* <= */
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) b <=0;
    else begin
        e <=in;
        f <=e;
        b <=f;
        end
    end
/* = */
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) c=0;
    else begin
        m = in;
        n = m;
        c = n;
        end
    end    
endmodule

 

 

综合后结果如图，可以看出，采用阻塞赋值，综合后的逻辑单元只有一个，中间变量m,n直接省去了。

下面我们来看看两者代码之间到底是怎么运行的。

（1）对于阻塞赋值的情况：

 

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) c=0;
    else begin
        m = in;
        n = m;
        c = n;
        end
    end

 

　always语句块对Clk的上升沿敏感，当发生Clk 0～1的跳变时，执行该always语句。

　在begin...end语句块中所有语句是顺序执行的，而且最关键的是，阻塞赋值是在本语句中“右式计算”和“左式更新”完全完成之后，才开始执行下一条语句的。

　在本例中，in的值赋给m以后，再执行n = m；同样在n的值更新以后，才执行c = n。这样，最终的计算结果就是in = c。也就是说时钟上升沿到来的时候，整个语句块执行完后，in，m,n,c的值都是一样的，这也就是我们前面说的，in变化之后，m,n,c都跟着变化。所有的语句执行完以后，该always语句等待Clk的上升沿，从而再一次触发begin...end语句。

总结

完成阻塞赋值的过程为:首先计算等号右边表达式的结果；接着这个结果存入仿真系统的内部临时寄存器中，这个寄存器也称为赋值事件队列和调度的临时寄存器。如果赋值时没有延迟信息，则这个事件立即被调度执行。

（2）对于非阻塞赋值的情况

 

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) b <=0;
    else begin
        e <=in;
        f <=e;
        b <=f;
        end
    end

 

首先执行e <= in，产生一个更新事件，将in的当前值赋给e，但是这个赋值过程并没有立刻执行，而是在事件队列中处于等待状态。

然后执行f <= e，同样产生一个更新事件，将e的当前值（注意上一语句中将in值赋给e的过程并没有完成，e还是旧值）赋给f，这个赋值事件也将在事件队列中处于等待状态。

再执行b <= f，产生一个更新事件，将f的当前值赋给b，这个赋值事件也将在事件队列中等待执行。

这时always语句块执行完成，开始对下一个Clk上升沿敏感。也就是说，使用非阻塞赋值方式进行赋值时，各个赋值语句同步执行；因此，通常在一个时钟沿对临时变量进行赋值，而在另一个时钟沿对其进行采样。

那么什么时候才执行那3个在事件队列中等待的事件呢？只有当当前仿真时间内的所有活跃事件和非活跃事件都执行完成后，才开始执行这些非阻塞赋值的更新事件。这样就相当于将in、e和f的值同时赋给了e、f和b。

注：

　　　　*仿真器首先按照仿真时间对事件进行排序，然后再在当前仿真时间里按照事件的优先级顺序进行排序。

　　　　*活跃事件是优先级最高的事件。在活跃事件之间，它们的执行顺序是随机的。阻塞赋值（=）、连续赋值（assign）以及非阻塞赋值的右式计算等都属于活跃事件。

总结 ：

非阻塞语句的执行过程为：首先，它会把非阻塞赋值放入调度队列中；接着，仿真工具开始执行下一条语句而不等待当前这条语句执行完毕。也就是说，先计算出等号右边表达式的结果，再把这个结果的赋值操作保存在事件队列中，等轮到事件被调度的时候，把这个结果赋值给等号左边。如果没有指定等号右边的延迟，赋值的操作会发生在当前时间单位的最后时刻。

知道了阻塞赋值和非阻塞赋值的区别之后，大家肯定就会关心什么时候该用阻塞赋值什么时候该用非阻塞赋值，下面我简单的说几句：

赋值的类型的选择取决于建模的逻辑类型。一般情况是这样的(也有特殊情况)：
（1）在时序逻辑电路中一般使用非阻塞赋值。
   非阻塞赋值在块结束后才完成赋值操作，此赋值方式可以避免在仿真出现冒险和竞争现象。
（2）在组合逻辑电路中一般使用阻塞赋值。
   使用阻塞方式对一个变量进行赋值时，此变量的值在在赋值语句执行完后就立即改变。
（3）在assign语句中必须使用阻塞赋值语句

希望大家在懂得了阻塞和非阻塞语句的区别之后，能够很好的在自己的项目中灵活地运用，这也是大家面试的时候，必须会面对的一个问题，希望大家能够掌握

编辑：jq