阻塞賦值與非阻塞賦值區(qū)別 異步復位、同步復位和異步復位同步撤銷

前不久一位朋友發(fā)來一道驗證題，雖然題目不是很復雜，但是琢磨了下感覺其中需要掌握的內(nèi)容還是很多的，正所謂麻雀雖小五臟俱全。下面將對此題涉及的一些內(nèi)容進行挖掘和示例，與大家分享下。

【問題描述】

如下一段Verilog代碼，請根據(jù)代碼的描述，并結(jié)合已知的clk和rst的波形圖，畫出對應信號的波形。

通過仿真工具得到對應的仿真波形如下。

【仿真波形】

【知識點挖掘】

0.reg和wire都采用的四值邏輯

reg變量在未進行賦值時，其默認值為x，wire默認為z，上圖中cnt_nxt之所以仿真開始時為不定態(tài)，主要是因為它是由cnt進行運算后得到的，而cnt剛開始就是個x。

1.變量和線網(wǎng)聲明時初始化

線網(wǎng)在聲明的同時進行賦值操作實際上完成的是一種隱含的連續(xù)賦值操作（implicit continuous assignment），即相當于該線網(wǎng)從聲明的時候就開始采用了連續(xù)賦值操作，此時如果有其他對于該線網(wǎng)的賦值操作，將會導致多驅(qū)動；與之相對應的是變量在聲明時的初始化，實際上僅僅完成了對于該變量真正的初始化操作，后續(xù)對該變量的賦值操作將會覆蓋聲明時初始化的值。

示例詳見《硅芯思見：【173】隱藏的初始化》

2.縮減操作符

3.阻塞賦值與非阻塞賦值區(qū)別

詳見《Verilog系列：【17】阻塞賦值與非阻塞賦值》

4.+：和-：位選操作

如果base_expr和width_expr經(jīng)過位選后超過d本身的位寬，那么讀取超出部分將獲得不定態(tài)表示。其中base_expr是可以在仿真運行過程中按照需要變化的，但是width_expr是必須是確定的。

【示例】

【仿真結(jié)果】

5.wire和reg分別在什么時候使用

wire常用于連續(xù)賦值語句(連續(xù)賦值語句左側(cè)信號)、模塊端口（input、output、inout，其中注意output默認為wire），reg常用于過程性賦值語句（當然也可以位于連續(xù)賦值語句的右側(cè)），關(guān)于連續(xù)賦值語句和過程性賦值語句的關(guān)系可以參看《Verilog系列：【32】Verilog中的幾種賦值語句》

6.異步復位、同步復位和異步復位同步撤銷

復位主要用于將數(shù)字電路中的觸發(fā)器置為一個確定的初始值上，例如可以是狀態(tài)機工作于初始狀態(tài)。而觸發(fā)器一般情況下分為兩種：一種是有復位引腳的，一種是沒有復位引腳的，帶有復位的觸發(fā)器占用的面積比沒有復位引腳的觸發(fā)器大一些。一般情況下，處于數(shù)據(jù)路徑上的觸發(fā)器的初始值無關(guān)緊要，此時可以使用不帶復位引腳的觸發(fā)器，以降低芯片的面積。兩者之間的優(yōu)缺點如下。

【同步復位】

l抗干擾性強，可以容忍一定的毛刺，但是前提是這個毛刺不要出現(xiàn)在setup和hold違例區(qū)間；

l利于后端人員進行STA分析；

l觸發(fā)器的復位信號完全同步于時鐘源，確保時鐘和復位作用下的邏輯電路的一致性；

l復位信號要確保大于時鐘周期，避免沒有被采樣到；

l因為觸發(fā)器本身不帶復位引腳，綜合后會增加很多其他的邏輯資源；

l如果時鐘信號出現(xiàn)問題，可能會影響到復位；

【異步復位】

相較于同步復位，異步復位有以下特點。

l復位信號不依賴于時鐘；

l大多數(shù)庫提供的觸發(fā)器都是自帶異步復位的觸發(fā)器；

l異步復位不管產(chǎn)生或撤銷復位信號，都是一個異步過程，但是撤銷時就出現(xiàn)了問題，如果異步復位在觸發(fā)器時鐘有效沿附近釋放，觸發(fā)器的輸出就會進入亞穩(wěn)態(tài)，因此導致復位狀態(tài)丟失；

l毛刺容易對電路造成干擾，導致不期望的復位產(chǎn)生；

l異步復位需要滿足時序要求（recover time、remove time，類似于setup和hold）；

為了綜合兩種復位的優(yōu)缺點，提出了一種異步復位同步釋放的方式，就是指在復位信號到來的時候不受時鐘信號的同步，而是在復位信號釋放的時候受到時鐘信號的同步，即用一個同步器來將異步復位信號轉(zhuǎn)換為同步的復位信號，從而確保復位操作的可控性和穩(wěn)定性。。其典型結(jié)構(gòu)圖如下。

其操作過程如下為當復位信號rst_async_n有效時，第一個D觸發(fā)器的輸出是低電平，第二個D觸發(fā)器的輸出rst_sync_n也為低電平，此時驅(qū)動后級方框中的異步復位端口有效，其輸出被復位。復位撤銷時，rst_async_n經(jīng)過兩級觸發(fā)器同步后得到的rst_sync_n是與時鐘同步的，從而可以實現(xiàn)復位的同步撤銷。假設rst_async_n在clk的上升沿時撤除，那么第一個大黃框中的第一級觸發(fā)器處于亞穩(wěn)態(tài)，但是由于兩級觸發(fā)器的同步作用，第二級觸發(fā)器的輸入為clk到來前第一級觸發(fā)器的輸出，即為低電平。因此，此時第二級觸發(fā)器的輸出一定是穩(wěn)定的低電平，方框左中觸發(fā)器此時還處于復位狀態(tài)。在第二個clk到來時，第一級觸發(fā)器的輸出已經(jīng)是穩(wěn)定的高電平了，故rst_sync_n已經(jīng)是穩(wěn)定的高電平，此時復位釋放,也就是同步釋放。

7.~和！區(qū)別

首先條件判斷語句根據(jù)根據(jù)判斷其關(guān)鍵字后的條件判斷表達式結(jié)果的真假(非零的結(jié)果被認為"真"，零的結(jié)果對應為"假")來選擇不同的條件分支，即可以將條件表達式分為兩步來實現(xiàn):第一步計算條件表達式，第二步判斷條件表達式結(jié)果;其次，在Verilog中"!"的意思為邏輯非，"~"為按位操作符， "!"主要是對操作數(shù)進行邏輯非操作，其預算結(jié)果只能為"0"(假)或者"1"(真)，"~"主要是對操作數(shù)進行按位運算，即對操作數(shù)的每一位進行取反操作.但是這里需要注意的是對于一位數(shù)據(jù)來說，兩種操作的結(jié)果是一樣的，但是如果操作數(shù)為多位數(shù)據(jù)，那么兩個操作的運算結(jié)果將會不一樣.使用邏輯操作符"!"，在進行位運算時使用按位運算符"

【示例】

【仿真結(jié)果】

從上例仿真結(jié)果可以觀測到，代碼10行沒有執(zhí)行，13行執(zhí)行。代碼中9行的條件判斷語句"if(!sig_1)"中的"!sig_1"計算結(jié)果為"0"，條件表達式對應的分支不會執(zhí)行，所以仿真過程中并沒有顯示對應的消息;12行的"if(~sig_2)"中的"~sig_2"計算結(jié)果為"2'b10"，為非零值，即條件表達式判斷的條件為真，所以對應的分支被有效執(zhí)行;17和20行兩個條件表達式都為真，所以對應的分支都被有效執(zhí)行，但是這時需要注意兩個條件表達式的具體計算結(jié)果并不相同，17行"!sig_1"計算結(jié)果為"1"，而20行"~sig_2"計算結(jié)果為"2'b11"，兩者的相同點是均為非零值，所以對于條件語句來說都是為真的條件，所以對應的分支會被執(zhí)行.在具體使用這兩種操作符的時候，一般情況下推薦進行邏輯判斷時~"。

審核編輯：湯梓紅