浅析Verilog阻塞赋值与非阻塞赋值的区别

catannie

为了解释清楚阻塞赋值与非阻塞赋值的区别，下面从仿真和综合两个角度讲解，然后举例说明。

1. 仿真角度

从仿真角度出发，就是要看仿真器是如何一步一步执行Verilog代码的。Verilog仿真器是事件驱动的，每发生一个事件（例如时钟上升沿），就要执行一系列语句，其中包含赋值语句。为了说明阻塞赋值与非阻塞赋值的区别，把赋值拆分成两个步骤：（1）计算赋值运算符右边的表达式；（2）用计算结果更新赋值运算符左边变量的值。执行阻塞赋值语句时，首先执行步骤（1），然后执行步骤（2），所以执行阻塞赋值语句时变量的值立即更新。执行非阻塞赋值语句时，只执行步骤（1），待执行完该事件触发的所有语句之后，再执行该事件触发的所有非阻塞赋值的变量更新操作，即步骤（2）。所以执行非阻塞赋值语句时变量的值延后更新。

2. 综合角度

从综合角度出发，就是要看阻塞赋值与非阻塞赋值分别综合出什么样的电路。如果是描述组合逻辑，用阻塞赋值还是非阻塞赋值综合出的电路一般是相同的。如果是描述时序逻辑，用阻塞赋值综合出的电路是顺序数据流的，用非阻塞赋值综合出的电路是并行数据流的。并行数据流很容易理解，通常是用并行的多个DFF实现的。顺序数据流则是在一个时钟周期内，数据按赋值语句顺序在若干信号间传递，可能用并行的多个DFF实现，也可能用一个DFF和一些组合逻辑，或者其他情况。

3. 若干例子

例1：非阻塞赋值
always @(posedge clk)
  begin
    q1 <= d;
    q2 <= q1;
    q3 <= q2;
  end

从仿真角度讲，发生clk上升沿事件后，仿真器顺序执行三条非阻塞赋值语句，即顺序计算d（第一条赋值语句中右边表达式），q1（第二条赋值语句中右边表达式），q2（第三条赋值语句中右边表达式），最后分别用上述三个表达式的计算结果更新q1，q2，q3的值。

从综合角度讲，综合出的电路存在3条并行数据流，用3个DFF实现。写出逻辑表达式，如下：
q1(n+1)=d(n)
q2(n+1)=q1(n)
q3(n+1)=q2(n)
其中，x(n)表示信号x在第n周期的值。

例2：阻塞赋值
always @(posedge clk)
  begin
    q1 = d;
    q2 = q1;
    q3 = q2;
  end

从仿真角度讲，发生clk上升沿事件后，仿真器顺序执行三条阻塞赋值语句，即先计算d（第一条赋值语句中右边表达式），然后用该计算结果更新q1的值，再计算q1（第二条赋值语句中右边表达式），然后用该计算结果更新q2的值，最后计算q2（第三条赋值语句中右边表达式），然后用该计算结果更新q3的值。由此可以看出，最终q1，q2，q3都被更新为d的值。

从综合角度讲，综合出的电路存在顺序数据流，d->q1->q2->q3，在clk上升沿之后信号 q1，q2，q3都变为d的值，实际综合出的电路中q1，q2，q3由同一个DFF驱动。写出逻辑表达式，如下：
q1(n+1)=d(n)
q2(n+1)=q1(n+1)=d(n)
q3(n+1)=q2(n+1)=d(n)
其中，x(n)表示信号x在第n周期的值。

例3：非阻塞赋值
always @(posedge clk)
  begin   
    q3 <= q2;
    q2 <= q1;
    q1 <= d;
  end

例4：阻塞赋值
always @(posedge clk)
  begin   
    q3 = q2;
    q2 = q1;
    q1 = d;
  end

例3与例4的仿真与综合结果与例1相同，都是3个DFF。

4. 最后的说明

比较上述例子，虽然用阻塞赋值也能得到相同的结果（例1与例4），但是阻塞赋值仅仅是顺序不同就会得到不同的结果（例2与例4），而非阻塞赋值则不受语句顺序的影响（例1与例3）。

非阻塞赋值本身就带有并行的语义，很适合用来描述带有并行性质的数字逻辑电路。

P.S.： 以上是本人的一点粗浅理解，希望对困惑于阻塞赋值与非阻塞赋值的区别的初学者能有些许帮助，如有错误与欠缺感谢指正。