阻塞赋值语句（“=”）和非阻塞赋值语句（“<=”）

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。下面我们以例子说明阻塞和非阻塞赋值的区别。

        我们先来看几段代码及其对应的电路：

HDL源代码	对应的RTL电路
module Shifter1( Clk, D, Q3 ); input Clk; input [7:0] D; output [7:0] Q3; reg [7:0] Q3, Q2, Q1; always @(posedge Clk) begin Q1 = D; Q2 = Q1; Q3 = Q2; end endmodule	▲ 大家可以看到Q1、Q2被优化掉了
module Shifter2( Clk, D, Q3 ); input Clk; input [7:0] D; output [7:0] Q3; reg [7:0] Q3, Q2, Q1; always @(posedge Clk) begin Q1 <= D; Q2 <= Q1; Q3 <= Q2; end endmodule
module Shifter3( Clk, D, Q3 ); input Clk; input [7:0] D; output [7:0] Q3; reg [7:0] Q3, Q2, Q1; always @(posedge Clk) begin Q3 = Q2; Q2 = Q1; Q1 = D; end endmodule
module Shifter4( Clk, D, Q3 ); input Clk; input [7:0] D; output [7:0] Q3; reg [7:0] Q3, Q2, Q1; always @(posedge Clk) begin Q1 <= D; Q2 = Q1; Q3 = Q2; end endmodule
module Shifter5( Clk, D, Q3 ); input Clk; input [7:0] D; output [7:0] Q3; reg [7:0] Q3, Q2, Q1; always @(posedge Clk) begin Q1 <= D; Q2 <= Q1; Q3 = Q2; end endmodule
module Shifter6( Clk, D, Q3 ); input Clk; input [7:0] D; output [7:0] Q3; reg [7:0] Q3, Q2, Q1; always @(posedge Clk) begin Q1 <= D; Q2 = Q1; Q3 <= Q2; end endmodule

        从上面的例子中，我们可以看出，在阻塞赋值语句中，赋值的次序非常重要，而在非阻塞赋值语句中，赋值的次序并不重要。

　　下面我们具体分析一下阻塞和非阻塞赋值的语义本质：

　　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。

　　先看阻塞赋值的情况：我们来看这段代码：

    always @(posedge Clk)
    begin
        Q1 = D;
        Q2 = Q1;
        Q3 = Q2;
    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，D的值赋给Q1以后，再执行Q2 = Q1；同样在Q2的值更新以后，才执行Q3 = Q2。这样，最终的计算结果就是Q3 = D。
        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。

　　接下来，再看看非阻塞赋值的情况。
       所谓非阻塞赋值，顾名思义，就是指当前语句的执行不会阻塞下一语句的执行。

 always @(posedge Clk)
    begin
        Q1 <= D;
        Q2 <= Q1;
        Q3 <= Q2;
    end

　　 首先执行Q1 <= D，产生一个更新事件，将D的当前值赋给Q1，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Q2 <= Q1，同样产生一个更新事件，将Q1的当前值（注意上一语句中将D值赋给Q1的过程并没有完成，Q1还是旧值）赋给Q2，这个赋值事件也将在事件队列中处于等待状态。
        再执行Q3 <= Q2，产生一个更新事件，将Q2的当前值赋给Q3，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。

　　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D、Q1和Q2的值同时赋给了Q1、Q2和Q3。

　　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。

　　下面通过一个典型案例，进一步说明阻塞赋值和非阻塞赋值的区别。

　　这里有一个数组：Data[0]、Data[1]、Data[2]和Data[3]，它们都是4比特的数据。我们需要在它们当中找到一个最小的数据，同时将该数据的索引输出到LidMin中，这个算法有点类似于“冒泡排序”的过程，而且需要在一个时钟周期内完成。例如，如果这4个数据中 Data[2]最小，那么LidMin的值则为2。

   module Bubble_Up(
                    Rst_n,
                    Clk,
                    Data,
                    Lid_Min
                    );
    input Rst_n;
    input Clk;
    input [3:0] Data [0:3];
    output [1:0] Lid_Min;
    reg [1:0] Lid_Min; 
    always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
    begin
        if (~Rst_n)
        begin
             Lid_Min <= 2'd0;
        end
        else
           begin
               if (Data[0] <= Data[Lid_Min])    //"<="表示小于等于
               begin
                   Lid_Min <= 2'd0;    //"<="表示非阻塞赋值
               end

               if (Data[1] <= Data[Lid_Min])
               begin
                   Lid_Min <= 2'd1;
               end
                        
                if (Data[2] <= Data[Lid_Min])
                begin
                    Lid_Min <= 2'd2;
                end

                if (Data[3] <= Data[Lid_Min])
                begin
                    Lid_Min <= 2'd3;
                end
            end
        end
    endmodule

　　我们的原意是首先将Lid_Min设置为一个初始值（任意值都可以），然后将Data[0]~Data[3]与Data[Lid_Min]进行比较，每比较一个数，就将较小的索引暂存在Lid_Min中，然后再进行下一次比较。当4组数据比较完成之后，最小的数据索引就会保留在Lid_Min 中。

　　我们在以上代码中使用了非阻塞赋值，结果发现，仿真波形根本不是我们所需要的功能，如图所示，图中的Data[0]~Data[3]分别为 11、3、10和12，Lid_Min的初始值为0。按道理来说，Lid_Min的计算结果应该为1，因为Data[1]最小，但仿真波形却为2。

　　为什么会得出这样的结果呢？

　　在时钟上升沿到来以后，且Rst_n信号无效时开始执行以下4个语句，假设这时候的Lid_Min是0，Data[0]~Data[3]分别为11、3、10和12：

               if (Data[0] <= Data[Lid_Min])    //"<="表示小于等于
               begin
                   Lid_Min <= 2'd0;    //"<="表示非阻塞赋值
               end

               if (Data[1] <= Data[Lid_Min])
               begin
                   Lid_Min <= 2'd1;
               end
                        
                if (Data[2] <= Data[Lid_Min])
                begin
                    Lid_Min <= 2'd2;
                end

                if (Data[3] <= Data[Lid_Min])
                begin
                    Lid_Min <= 2'd3;
                end

　　第一句的if为真，因此执行Lid_Min <= 2’d0，而这时候，Lid_Min并没有立刻被赋值，而是调度到事件队列中等待执行，这是非阻塞赋值的特点。

　　第二句的if为真，因此执行Lid_Min <= 2’d1，这是Lid_Min也没有立刻被赋值为1，而是调度到事件队列中等待执行。当前的Lid_Min还是0，没有发生任何变化。

　　同样，第三句的if也为真，因此执行Lid_Min <= 2’d2，将更新事件调度到事件队列中等待执行。当前的Lid_Min还是0。

　　而第四句的if为假，因此直接跳过Lid_Min <= 2’d3，这时跳出always语句，等待下一个时钟上升沿。

　　在以上的always语句执行完成以后，仿真时间没有前进。这时存在于事件队列中当前仿真时间上的3个被调度的非阻塞更新事件开始执行，它们分别将Lid_Min更新为0、1和2。

　　按照Verilog语言的规范，这3个更新事件属于同一仿真时间内的事件，它们之间的执行顺序随机，这就产生了不确定性。一般的仿真器在实现的时候是根据它们被调度的先后顺序执行的，事件队列就像一个存放事件的FIFO，它是分层事件队列的一部分，如图所示：

　　这3个事件在同一仿真时间被一一执行，而真正起作用的时最后一个更新事件，因此在仿真的时候得到的最终结果时Lid_Min为2。

　　然后我们想要得到的结果是，在每个if语句判断并执行完成以后，Lid_Min先暂存这个中间值，再进行下一次比较，也就是说在进行下一次比较之前，这个Lid_Min必须被更新，而这一点也正是阻塞赋值的特点，因此我们将代码作如下更改：

module Bubble_Up(
                    Rst_n,
                    Clk,
                    Data,
                    Lid_Min
                    );
    input Rst_n;
    input Clk;
    input [3:0] Data [0:3];
    output [1:0] Lid_Min;
    reg [1:0] Lid_Min; 
    always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
    begin
        if (~Rst_n)
        begin
             Lid_Min <= 2'd0;
        end
        else
           begin
               if (Data[0] <= Data[Lid_Min])    //"<="表示小于等于
               begin
                   Lid_Min = 2'd0;    //"<="表示非阻塞赋值
               end

               if (Data[1] <= Data[Lid_Min])
               begin
                   Lid_Min = 2'd1;
               end
                        
                if (Data[2] <= Data[Lid_Min])
                begin
                    Lid_Min = 2'd2;
                end

                if (Data[3] <= Data[Lid_Min])
                begin
                    Lid_Min = 2'd3;
                end
            end
        end
    endmodule

　　其仿真波形如图所示：

　　在代码仿真过程中，第二句的if为真，执行Lid_Min = 2'd1，根据阻塞赋值的特点，Lid_Min被立刻赋值为1。在执行第三句if的时候，if (Data[2] <= Data[Lid_Min])为假，直接跳过Lid_Min = 2'd2不执行，同样也跳过Lid_Min = 2'd3不执行。Lid_Min被最终赋值为1，这正是我们想要的结果。

        另外，为了使代码看起来更简洁，我们使用for语句改写了代码：

     module Bubble_Up(
                     Rst_n,
                     Clk,
                     Data,
                     Lid_Min
                     );
      input Rst_n;
      input Clk;
      input [5:0] Data [0:3];
      output [1:0] Lid_Min;
      reg [1:0] Lid_Min; 
      integer i;
      always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
      begin
          if (~Rst_n)
          begin
              Lid_Min = 2'd0;
          end
          else
          begin
              for (i = 2'd0; i <= 2'd3; i = i + 2'd1)
              begin
                  if (Data[i] <= Data[Lid_Min])
                  begin
                        Lid_Min = i;
                  end
              end
          end
       end
     endmodule

　　这种写法与前面展开的写法完全等效，功能完全一致。今后大家在读代码时发现带有for语句的电路功能比较难理解，可以将这些语句展开，增强代码的可读性。