Verilog 时序控制

关键词：时延控制，事件触发，边沿触发，电平触发

Verilog 提供了 2 大类时序控制方法：时延控制和事件控制。事件控制主要分为边沿触发事件控制与电平敏感事件控制。

时延控制

基于时延的时序控制出现在表达式中，它指定了语句从开始执行到执行完毕之间的时间间隔。

时延可以是数字、标识符或者表达式。

根据在表达式中的位置差异，时延控制又可以分为常规时延与内嵌时延。

常规时延

遇到常规延时时，该语句需要等待一定时间，然后将计算结果赋值给目标信号。

格式为：#delay procedural_statement，例如：

reg  value_test ;
reg  value_general ;
#10  value_general    = value_test ;

该时延方式的另一种写法是直接将井号 # 独立成一个时延执行语句，例如：

#10 ;
value_ single         = value_test ;

内嵌时延

遇到内嵌延时时，该语句先将计算结果保存，然后等待一定的时间后赋值给目标信号。

内嵌时延控制加在赋值号之后。例如：

reg  value_test ;
reg  value_embed ;
value_embed        = #10 value_test ;

需要说明的是，这 2 种时延控制方式的效果是有所不同的。

当延时语句的赋值符号右端是常量时，2 种时延控制都能达到相同的延时赋值效果。

当延时语句的赋值符号右端是变量时，2 种时延控制可能会产生不同的延时赋值效果。

例如下面仿真代码：

`timescale 1ns/1ns
 
module test ;
    reg  value_test ;
    reg  value_general, value_embed, value_single ;
 
    //signal source
    initial begin
        value_test        = 0 ;
        #25 ;      value_test        = 1 ;
        #35 ;      value_test        = 0 ;        //absolute 60ns
        #40 ;      value_test        = 1 ;        //absolute 100ns
        #10 ;      value_test        = 0 ;        //absolute 110ns
    end
 
    //(1)general delay control
    initial begin
        value_general     = 1;
        #10 value_general  = value_test ; //10ns, value_test=0
        #45 value_general  = value_test ; //55ns, value_test=1
        #30 value_general  = value_test ; //85ns, value_test=0
        #20 value_general  = value_test ; //105ns, value_test=1
    end
 
    //(2)embedded delay control
    initial begin
        value_embed       = 1;
        value_embed  = #10 value_test ; //0ns, value_test=0
        value_embed  = #45 value_test ; //10ns, value_test=0
        value_embed  = #30 value_test ; //55ns, value_test=1
        value_embed  = #20 value_test ; //85ns, value_test=0
    end
 
    //(3)single delay control
    initial begin
        value_single      = 1;
        #10 ;
        value_single = value_test ; //10ns, value_test=0
        #45 ;
        value_single = value_test ; //55ns, value_test=1
        #30 ;
        value_single = value_test ; //85ns, value_test=0
        #20 ;
        value_single = value_test ; //105ns, value_test=1
    end
 
    always begin
        #10;
        if ($time >= 150) begin
            $finish ;
        end
    end
 
endmodule

仿真结果如下，由图可知：

一般延时的两种表达方式执行的结果都是一致的。
一般时延赋值方式：遇到延迟语句后先延迟一定的时间，然后将当前操作数赋值给目标信号，并没有”惯性延迟”的特点，不会漏掉相对较窄的脉冲。
内嵌时延赋值方式：遇到延迟语句后，先计算出表达式右端的结果，然后再延迟一定的时间，赋值给目标信号。

下面分析下内嵌延时的赋值过程：

value_embed  = #10 value_test ; //0ns, value_test=0

0ns 时，执行此延时语句。

先将 0 赋值给信号 value_embed, 延迟 10ns 输出为 0；

value_embed  = #45 value_test ; //10ns, value_test=0

10ns 时，执行此延时语句。

由于此时 value_test 仍然为 0，所以 value_embed 值不变。

即到 55ns 时，value_embed 值仍然保持为 0。

value_embed  = #30 value_test ; //55ns, value_test=1

同理，55ns 时，value_test 值为 1，将其赋值给 value_embed 并延迟 30ns 输出。

所以 85ns 时，value_embed 输出为 1。

value_embed  = #20 value_test ; //85ns, value_test=0

同理，105ns 时，value_embed 输出为 0。

边沿触发事件控制

在 Verilog 中，事件是指某一个 reg 或 wire 型变量发生了值的变化。

基于事件触发的时序控制又主要分为以下几种。

一般事件控制

事件控制用符号 @ 表示。

语句执行的条件是信号的值发生特定的变化。

关键字 posedge 指信号发生边沿正向跳变，negedge 指信号发生负向边沿跳变，未指明跳变方向时，则 2 种情况的边沿变化都会触发相关事件。例如：

//信号clk只要发生变化，就执行q<=d，双边沿D触发器模型
always @(clk) q <= d ;                
//在信号clk上升沿时刻，执行q<=d，正边沿D触发器模型
always @(posedge clk) q <= d ;  
//在信号clk下降沿时刻，执行q<=d，负边沿D触发器模型
always @(negedge clk) q <= d ;
//立刻计算d的值，并在clk上升沿时刻赋值给q，不推荐这种写法
q = @(posedge clk) d ;

命名事件控制

用户可以声明 event（事件）类型的变量，并触发该变量来识别该事件是否发生。命名事件用关键字 event 来声明，触发信号用 -> 表示。例如：

event     start_receiving ;
always @( posedge clk_samp) begin
        -> start_receiving ;       //采样时钟上升沿作为时间触发时刻
end
 
always @(start_receiving) begin
    data_buf = {data_if[0], data_if[1]} ; //触发时刻，对多维数据整合
end

敏感列表

当多个信号或事件中任意一个发生变化都能够触发语句的执行时，Verilog 中使用”或”表达式来描述这种情况，用关键字 or 连接多个事件或信号。这些事件或信号组成的列表称为”敏感列表”。当然，or 也可以用逗号 , 来代替。例如：

//带有低有效复位端的D触发器模型
always @(posedge clk or negedge rstn)    begin      
//always @(posedge clk , negedge rstn)    begin      
//也可以使用逗号陈列多个事件触发
    if（! rstn）begin
        q <= 1b ;      
    end
    else begin
        q <= d ;
    end
end

当组合逻辑输入变量很多时，那么编写敏感列表会很繁琐。此时，更为简洁的写法是 @* 或 @(*)，表示对语句块中的所有输入变量的变化都是敏感的。例如：

always @(*) begin
//always @(a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m) begin
//两种写法等价
    assign s = a? b+c : d ? e+f : g ? h+i : j ? k+l : m ;
end

电平敏感事件控制

前面所讨论的事件控制都是需要等待信号值的变化或事件的触发，使用 @+敏感列表 的方式来表示的。

Verilog 中还支持使用电平作为敏感信号来控制时序，即后面语句的执行需要等待某个条件为真。Verilog 中使用关键字 wait 来表示这种电平敏感情况。例如：

initial begin
    wait (start_enable) ;      //等待 start 信号
    forever begin
        //start信号使能后，在clk_samp上升沿，对数据进行整合
        @(posedge clk_samp)  ;
        data_buf = {data_if[0], data_if[1]} ;      
    end
end

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