Verilog仿真文件中的阻塞和非阻塞赋值问题探讨

在 RTL 代码中我们知道如果表达组合逻辑时使用“=”赋值，表达时序逻辑时使用“<=”赋值，如果我们不按照这种规则来设计往往会得到意想不到的答案。虽然说在 Testbench 中我们对赋值号的要求并不是很在意，使用“=”和“<=”赋值均可，都能够仿真出来结果，且最后不会被综合成实际的电路，不会影响功能。网络上的各种资料教程也各有不同的写法，难道在 Testbench 中随便使用“=”和“<=”赋值真的对测试没有任何影响吗？经过下面的测试验证我们得到了出乎意料的答案。

测试验证

RTL代码

首先编写被测试测RTL代码：一个简单的两输入 1bit 数据相与后通过寄存器输出。

//========================================================================
// 	module_name.v	:rtl_template.v
// 	Created on		:2023-9-27
// 	Author			:YprgDay
// 	Description		:用于Verilog仿真文件中的阻塞和非阻塞问题探讨
//========================================================================
module test
(
	//=========================< Port Name >==============================
	//input
	input 		wire 					sys_clk	  	 		,
	input 		wire					sys_rst_n			,
	input 	  	wire    				in1					,
	input 	  	wire 					in2					,
		                                                    
	//output	                                            
	output		reg						out					
);

	//=========================< Always block >===========================
	//sequential logic
	//block description:用于两输入的与
	always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)	begin
		if(sys_rst_n == 1'b0)begin
			out <=	1'b0		;
		end
		else	begin
			out <=	in1 & in2	;
		end
	end	

endmodule
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一、时钟初始值为1’b1

1.1、时钟用“=”赋值，输入信号用“<=”赋值(correct)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	 = 1'b1;
sys_rst_n 	<= 1'b0;
in1 		<= 1'b0;
in2 		<= 1'b0;
#200
sys_rst_n 	<= 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always #10 in1 <= {$random};
always #10 in2 <= {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

endmodule
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仿真波形效果：

仿真结果同 RTL 逻辑代码实现的功能一致。

此处是220ns后两个时钟周期高，340ns后一个时钟周期高。同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均正确。

1.2、时钟和输入信号都用“<=”赋值(error)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	<= 1'b1;
sys_rst_n 	<= 1'b0;
in1 		<= 1'b0;
in2 		<= 1'b0;
#200
sys_rst_n 	<= 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk <= ~sys_clk;

always #10 in1 <= {$random};
always #10 in2 <= {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

endmodule
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仿真波形效果：

与1.1中相比。此处是200ns后一个时钟周期高，320ns后一个时钟周期高。有错误，同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均错误。

1.3、时钟和输入信号都用“=”赋值(error)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	= 1'b1;
sys_rst_n 	= 1'b0;
in1 		= 1'b0;
in2 		= 1'b0;
#200
sys_rst_n 	= 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always #10 in1 = {$random};
always #10 in2 = {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

endmodule
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仿真波形效果：

与1.1中相比。此处是200ns后一个时钟周期高，320ns后一个时钟周期高。有错误，同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均错误。

1.4、时钟用“<=”赋值，输入信号用“=”赋值(error)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	<= 1'b1;
sys_rst_n 	 = 1'b0;
in1 		 = 1'b0;
in2 		 = 1'b0;
#200
sys_rst_n 	 = 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always #10 in1 <= {$random};
always #10 in2 <= {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

endmodule
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仿真波形效果：

与1.1中相比。此处是220ns后两个时钟周期高，340ns后一个时钟周期高，和1.1同，但测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均有错误。

二、时钟初始值为1’b0

2.1、时钟用“=”赋值，输入信号用“<=”赋值(correct)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	 = 1'b0;
sys_rst_n 	<= 1'b0;
in1 		<= 1'b0;
in2 		<= 1'b0;
#200
sys_rst_n 	<= 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always #10 in1 <= {$random};
always #10 in2 <= {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

endmodule
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仿真波形效果：

仿真结果同 RTL 逻辑代码实现的功能一致。

此处是210ns后1个时钟周期高，330ns后一个时钟周期高。同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均正确。

2.2、时钟和输入信号都用“<=”赋值(error)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	<= 1'b0;
sys_rst_n 	<= 1'b0;
in1 		<= 1'b0;
in2 		<= 1'b0;
#200
sys_rst_n 	<= 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk <= ~sys_clk;

always #10 in1 <= {$random};
always #10 in2 <= {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

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仿真波形效果：

与2.1中相比。此处是210ns后两个时钟周期高，330ns后一个时钟周期高。有错误，同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均错误。

2.3、时钟和输入信号都用“=”赋值(error)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	= 1'b0;
sys_rst_n 	= 1'b0;
in1 		= 1'b0;
in2 		= 1'b0;
#200
sys_rst_n 	= 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always #10 in1 = {$random};
always #10 in2 = {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

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仿真波形效果：

与2.1中相比。此处是210ns后两个时钟周期高，330ns后一个时钟周期高。有错误，同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均错误。

2.4、时钟用“<=”赋值，输入信号用“=”赋值(error)

仿真代码：

`timescale 1ns/1ns

module tb_test();

reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
reg in1;
reg in2;

wire out;

//初始化
initial begin
sys_clk 	<= 1'b0;
sys_rst_n 	 = 1'b0;
in1 		 = 1'b0;
in2 		 = 1'b0;
#200
sys_rst_n 	 = 1'b1;
end

//产生 50Mhz 的时钟
always #10 sys_clk = ~sys_clk;

always #10 in1 = {$random};
always #10 in2 = {$random};

//------------------------test_isnt------------------------
test test_inst(
.sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //input sys_rst_n
.in1 (in1 ), //input in1
.in2 (in2 ), //input in2

.out (out ) //output out
);

endmodule
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仿真波形效果：

与2.1中相比。此处是210ns后两个时钟周期高，330ns后一个时钟周期高。有错误，同时还测试了该情况下的“|”、“+”、“^”运算均错误。

结论

时钟初始值为1’b1或时钟初始值为1’b0的情况下，时钟用“=”赋值，输入信号用“<=”赋值不发生错误，其他情况均有错误出现。

所以推荐在写 Testbench 的时候时钟用“=”赋值，输入信号用“<=”赋值才能够避免这种情况，这种问题的根源其实是产生的数据没有同步时钟的原因，导致产生一些错乱，这种情况在 System Verilog 中就不会差生，这也是 System Verilog 更适合作为仿真验证语言的原因之一。至于时钟的初始值是 0 还是 1 对仿真的正确性影响不大，但是推荐大家把时钟的初始值幅值为 1，方便数据的变化都是在时钟的上升沿进行，和我们的 RTL 代码更接近。

推荐书写方式：

//==========================< Reset block >============================
initial begin
	sys_clk 	 = 1'b1;
	sys_rst_n 	<= 1'b0;
	in1 		<= 1'b0;
	in2 		<= 1'b0;
	#200
	sys_rst_n 	<= 1'b1;
end
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参考资料

仿真文件中的阻塞和非阻塞