Verilog中的延时、阻塞与非阻塞赋值仿真

从仿真语义的角度看Verilog中的延时、阻塞与非阻塞赋值

1 Verilog中的延时

Verilog没有和VHDL中类似的最小延时概念，所有的延时都由符号“#”来定义，如果没有这个符号就意味着没有延时，清单1中描述了一个有关延时的简单例子。

清单1 简单的延时

wire #5 Y = A & B;

清单1 中使用持续赋值语句描述了一个两输入端与门逻辑，并且在表达式前插入了5ns （#5）的延时，意义为Verilog仿真器会在5ns的延时后将A和B相与赋值给Y。通过这个例子可以看出，延时的插入只需要在原本的语句中加入“#”关键字即可，但在实际的使用中却经常产生错误，实际中的延时时间是由具体的硬件电路来决定的。使我们更深入的理解Verilog中的延时，更加关注描述的电路意义而不是描述语句本身，Verilog也是一种机于硬件的语言。

1.1 实际中的延时

在实际的电路中，只存在着两种延时行为，一个是惯性延时，另一个是传输延时。

1.1.1 惯性延时（Inertial Day）

惯性延时通常在信号通过逻辑门的时候发生，图1所示是信号通过一个具有5ns延迟的非门时的行为。

图1 惯性延时

输入信号WireIn有两个高电平脉冲，一个宽度为3ns，另一个宽度为9ns。当第一个3ns 的脉冲到达非门时，因为其宽度小于非门的本身延时（5ns），输出还来不及建立低电平，输入脉冲就已经过去，所以在输出信号WireOut上没有体现出第一个3ns脉冲的响应。第二个脉冲宽度为9ns，大于非门的本身延时，所以在脉冲上升沿5ns之后，WireOut输出了一个宽度为9ns的低脉冲，这个脉冲与输入脉冲等宽、反向而且延迟了5ns。

这种延时称为惯性延时或惰性延时。如果输入的变化过快，小于逻辑门本身的延时，就不会被体现在输出上。

1.1.2 传输延时（Transport Delay）

传输延时相对于惯性延时更容易理解，相当于信号通过了一条拥有固定延时的传输线。如图2所示是信号通过一条5ns的延时线地示意图与波形。

图2 传输延时

容易看出来，WireOut实际上就是被延迟了5ns的WireIn。所以传输延时的意义就是将输入信号延迟一定时间后体现在输出上，而且输入信号上的所有细节都不会丢失。

1.2 持续赋值语句中的延时

在持续赋值语句只有一种合法的延时描述，如清单2所示：

清单2 持续赋值语句中的延时

assign #5 WireOut = ~ WireIn；

这种描述用语表示电路中的惯性延时，任何小于5ns的输入变化都会被过滤而不会体现在输出上。

1.3 过程赋值语句中的延时

过程赋值语句中的延时情况比较复杂，但是结论很简单：

●在持续赋值语句中使用正规延时，可以描述惯性延时。

●在非阻塞赋值语句中使用内定延时，可以描述传输延时。

1.3.1 正规延时和内定延时

正规延时和内定延时的定义见清单3。

清单3 正规延时和内定延时

#N sum = a+b; //正规延时

sum = #N a+b; //内定延时

定义于赋值语句前面的延时称为正规延时，其意义是：若赋值语句的执行条件在T时刻得到满足，该语句并不会立即执行，而是在延时N时间后，也就是在T+N时刻将T+N时刻的a+b赋值给sum。

内定延时定义于赋值语句的右式之前，其意义是：若赋值语句的执行条件在T时刻得到满足，立即将T时刻的a与b相加，并不是立即赋值给sum，而是在延时N时间后，也就是在延时N时间后将a+b赋值给sum。

了解了正规延时和内定延时的概念，不难想象出，对应Verilog中的持续性赋值、阻塞性赋值和非阻塞赋值这三种赋值形式，一共有六种插入延时的方法。但是在持续赋值中插入内定延时是非法的，这是因为内定延时需要将T时刻的结果保持到T+N时刻进行赋值，表现出记忆特性，与持续赋值的意义相冲突。

下文介绍阻塞赋值和非阻塞赋值中的延时。

1.3.2 阻塞赋值中的延时

在阻塞赋值中可以插入正规延时和内定延时，示例如清单4所示。由Quartus II综合后得到时间戳report和RTL图形分别如图3和图4所示，由Modelsim仿真产生的仿真波形如图5所示。

清单4阻塞赋值语句中的延时module DelayDemo(A,B,C,D);

output A,B,C,D;

reg [3:0] A,B,C,D;

initial

begin

A=4'd0;B=4'd0;

#4 A=4'd2;B=4'd4;

#2 A=4'd3;

#2 A=4'd4;

#9 A=4'd3;

#2 A=4'd5;B=4'd5;

#5 B=4'd8;

end

always@(A or B)

begin

C =#3 A+B; //阻塞赋值中的内定延时end

always@(A or B)

begin

#3 D= A+B; //阻塞赋值中的正规延时end

endmodule

图3清单4的message

图4清单4的RTL

图5清单4的仿真波形

在图5的仿真图中，对于不断变化的输入A和B，C为插入了3ns内定延时的A+B，D 为插入了3ns正规延时的A+B。

先讨论在阻塞赋值中插入内定延时的效果：

●0ns时刻（Start1）：always进程启动，仿真器计算0时刻A+B的值后进程挂起，等待

3ns后赋值给C。

●3ns时刻（Display1）：C接受赋值更新，由未知出跳变为0。

●4ns时刻（Start2）：A和B同时变化，启动进程，仿真器计算A+B的值，并在等待3ns

后赋值给C。

●6ns时刻：由于阻塞赋值的特性，A由2到3的跳变被忽略，不会反应在C上。

●7ns时刻（Start2）：C由0跳变为4ns时刻A+B的值6

…