孩子都能学会的FPGA：第三课——阻塞赋值和非阻塞赋值

chdaj58

（原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如果需要整个工程请加微信15092150280索要即可，不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

第二课讲述了最简单的一个流水灯的实例，大家应该对计数器模块的设计比较熟悉了。第二课还有一个非常重要的点没有讲，那就是阻塞赋值和非阻塞赋值。初学者可能会比较奇怪，为什么有时候要用reg定义信号，有时候又要用wire定义信号，统一一下不可以吗？先明确说明一下：在有些情况下信号定义成reg和wire都可以，但是在有些情况下只可以定义成reg或者只可以定义成wire!

看到上面的说明后初学者更是头大了，这就是这课需要解决的问题。笔者刚开始FPGA设计的时候也是很迷惑，开始就是reg和wire随便混着用，编译报错了再修改，用的时间长了，再加上从书本和网上各种查找，终于弄清楚了两者的用法！先说一下，上课的例子中，one_second_done既可以定义成wire也可以定义成reg，而one_second_cnt只能定义成reg，不能定义成wire。

为了让本课的内容丰满一些，我们在第二课的基础上把需求更改一下，设计一个新的工程。工程要求：系统时钟是100MHz，低电平复位，假设有4个led灯（都是高电平点亮，低电平熄灭），按照1秒的频率进行回环流水闪烁（既0001->0010->0100->1000->0100->0010->0001）。不同于昨天的一直左移流水，这个工程是先左移3次，再右移3次，如此反复流水。

首先分析一下需求，定时的时间不变，那定时模块不需要任何的改变，需要修改的是流水灯部分。不同于第二课只需要一直左移流水灯，现在既需要左移，又需要右移，而且是左移3次，再右移3次，然后再左移3次，再右移3次。。。。。。所以最简单的实现方式是设置一位的标志寄存器，在需要左移的时候该寄存器拉高，在需要右移的时候该寄存器拉低，然后在流水灯模块根据这个指示信号来进行左移或者右移。

然后确认一下这个左右移标识寄存器变化的条件，根据回环流水灯的状态可以得知在灯的状态是0001的时候开始左移，在状态是1000后开始右移，所以这个寄存器的设计就非常容易了，如下所示。定义了一个reg类型的左右移寄存器left_right_domain，该信号在复位rst_n拉低的情况下默认是1，就是默认流水灯左移；在灯的状态是0001的时候，即右移到头了，此时将left_right_domain信号赋值为1；在灯的状态是1000的时候，即左移到头了，此时将left_right_domain信号赋值为0。在流水灯模块中，根据left_right_domain信号来设置左移或者右移动即可。

我们看一下的modelsim仿真结果（由于计数99_999_999次仿真时间较长，仿真时改为了计数9次）。leds的状态确实是按照设想的0001->0010->0100->1000->0100->0010->0001变化，功能正常。

说完了工程的功能，下面进入今天的正题，阻塞赋值和非阻塞赋值。

先解释一下什么是阻塞赋值，阻塞，顾名思义就是堵住了，比如堵车，前面的没有疏通开后面的是过不去的！再想象一下独木桥，必须按照顺序一个一个的过去；再如软件编程，必须是串行执行的，必须执行完前面语句才能去执行后面的语句。所以阻塞赋值就是一个模块中的多个赋值语句，必须顺序执行，即执行完前一句再去执行后一句，执行顺序和书写有关，在verilog编码中，使用“=”号来表示阻塞赋值，而且在仿真（综合前仿真）中，阻塞赋值是不消耗仿真时间的。

如下所示，定义了三个寄存器a，b，c，在复位rst_n拉低的情况下三个信号都是0，在其它情况下先执行“a=1”，即a的值是1；再执行“b=a“，即b的值也是1；最后执行”c=b“，即c的值也是1。

下面是仿真的结果，理解一下阻塞赋值的仿真不消耗仿真时间。如下所示，在rst_n拉高后的clk的上升沿，a，b，c同时赋值为1。显示是没有消耗仿真时间，其实仿真软件处理中上下两条语句间会默认有一个Δt，可以理解成是数学上的无穷小。

再看看非阻塞赋值，非阻塞，很明显就是堵不住，比如3辆车分别行驶在3个车道上，谁也不影响谁，不同与阻塞赋值的串行执行，非阻塞赋值是并行执行。所以非阻塞赋值就是一个模块中的多个赋值语句，都是并行执行，执行顺序和书写无关，在verilog编码中，使用“<=”号来表示阻塞赋值，而且在仿真（综合前仿真）中，非阻塞赋值是消耗仿真时间的。

如下所示，定义了三个寄存器a，b，c，和上面的例子一样，就是把阻塞赋值改为了非阻塞赋值。

下面是仿真的结果，理解一下非阻塞赋值的仿真要消耗仿真时间。如下所示，在rst_n拉高后的clk的第一个上升沿，a赋值为1，第二个clk的上升沿，b赋值为1，第三个clk的上升沿，c才赋值为1。

解释一下上面非阻塞赋值的流程，非阻塞赋值是在clk上升沿的时候开始赋值，在仿真软件中，赋值有效是需要一个Δt时间的，所以在第1个时钟的上升沿，此时a，b，c都是0，语句执行Δt时间后，a才赋值为1，b赋值为0（a在第1个clk上升沿时候的值），c赋值为0（b在第1个clk上升沿时候的值）；到了第2时钟的上升沿，此时a为1，b和c为0，语句执行Δt时间后，a还是1，b被赋值为1（a在第2个clk上升沿时候的值），c赋值为0（b在第2个clk上升沿时候的值）；到了第3时钟的上升沿，此时a和b为1，c为0，语句执行Δt时间后，a还是1，b也是1（a在第3个clk上升沿时候的值），c赋值也为1（b在第3个clk上升沿时候的值）；再往后a，b，c的值都是1了。

为什么要分阻塞赋值和非阻塞赋值？这个解释起来有点麻烦，要从组合逻辑和时序逻辑说起，下课好好的解释。