FPGA设计：阻塞与非阻塞赋值的原理与差异解析

本文主要探讨了FPGA设计中移位寄存器模型中的核心概念——阻塞赋值和非阻塞赋值的区别，这两种赋值方式对于理解和优化Verilog代码至关重要。 在FPGA设计中，移位寄存器是一种基础的逻辑结构，用于存储和移动数据。通常，移位寄存器由一系列的触发器构成，这些触发器在特定时钟边沿上同步更新其状态。在Verilog中，我们通过编程来描述这种行为，这就涉及到了阻塞赋值（ Blocking Assignment）和非阻塞赋值（Non-Blocking Assignment）。 阻塞赋值（=）和非阻塞赋值（<=）是Verilog语言中两种不同的赋值方式，它们在逻辑行为和合成结果上有着显著差异。 1. 阻塞赋值：使用等号“=”表示，如 `b = a;`。在阻塞赋值中，右侧表达式（RHS）首先计算，然后立即更新左侧变量（LHS）。这意味着一旦执行完赋值操作，b的值就会立即改变。由于这个特性，阻塞赋值通常用于组合逻辑电路的描述，因为它确保了逻辑的即时更新。然而，阻塞赋值在综合时，RHS不应包含任何延迟，否则会导致不可综合的结果。 2. 非阻塞赋值：使用小于等于号“<=”表示，如 `b <= a;`。非阻塞赋值则不同，它在时钟边缘触发，RHS的计算与LHS的更新分开进行。RHS的计算在赋值时刻开始时进行，而LHS的更新则在赋值时刻结束时完成。这种方式允许在同一时刻处理多个非阻塞赋值，使得它们可以并行计算，因此在描述时序逻辑，如寄存器传输或状态机时，非阻塞赋值更为适用。 难点在于如何正确选择使用阻塞和非阻塞赋值。设计者需要根据电路的具体需求来决定。在可综合的Verilog模块中，非阻塞赋值常常用来确保时序逻辑的正确性，因为它们可以精确控制在时钟边沿的更新。如果不正确地使用了阻塞赋值，可能会导致信号竞争和不确定的行为，这在时序电路中是不可接受的。 IEEE标准建议在编写可综合的Verilog代码时，应尽可能使用非阻塞赋值，以确保时序逻辑的清晰和正确。但是，阻塞赋值也有其用途，特别是在定义组合逻辑或者在非综合的仿真环境中。 理解并熟练掌握阻塞和非阻塞赋值的差异是FPGA设计的关键，它们是实现正确时序逻辑的基础，并且对于提高代码的可读性和可维护性至关重要。在实际设计中，设计师需要结合具体应用，灵活运用这两种赋值方式。