FPGA基础 -- Verilog行为级建模之alawys语句
Verilog 中的 always 语句块，这是行为级建模的核心结构之一，在 RTL 级设计中广泛用于时序逻辑和组合逻辑的建模。
一、什么是 always 语句？
✅ 定义：
always 语句用于描述可综合的硬件行为逻辑，表示一个**“事件驱动”的过程块**，当敏感列表中某个信号发生变化时，always 块会立即触发执行。
二、基本语法格式
always @(sensitivity_list)begin// 过程性代码end
sensitivity_list 是触发该块执行的信号列表。
三、分类：三种常见 always 使用方式
| 类型 | 敏感列表 | 用途 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 时序逻辑 | posedge clk / negedge rst_n | 同步逻辑 | 寄存器建模、状态机 |
| 组合逻辑 | (*) 或所有组合信号列出 | 无时序行为 | 算术逻辑单元（ALU） |
| 异步逻辑 | posedge clk or negedge rst | 异步复位结构 | 上电初始化控制 |
四、时序逻辑建模（推荐使用方式）
4.1 同步复位寄存器建模：
always @(posedge clk) beginif (!rst_n)q <= 0;elseq <= d;
end
✅ 非阻塞赋值
<=，确保“并行硬件”的表达。
4.2 异步复位建模：
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)q <= 0;elseq <= d;
end
✅
posedge clk or negedge rst_n：表示rst_n变化时立即响应。
五、组合逻辑建模
推荐使用 always @(*)
always @(*) begincase (sel)2'b00: y = a;2'b01: y = b;default: y = 0;endcase
end
✅ 使用
=阻塞赋值。
✅ 确保对每个输出都完全赋值，否则综合工具会推断出 latch（锁存器）！
六、敏感列表详解
✅ 常见写法对比：
| 写法 | 解释 | 建议 |
|---|---|---|
always @(a or b or c) | 显式列出每个信号 | ✅ 可控但冗长 |
always @(*) | 隐式敏感列表，表示所有用到的组合信号 | ✅ 推荐用于组合逻辑 |
always @(posedge clk) | 上升沿触发（时序逻辑） | ✅ 推荐用于寄存器 |
七、阻塞/非阻塞赋值回顾（重点）
| 场景 | 使用赋值类型 | 示例 |
|---|---|---|
| 时序逻辑（同步时钟） | 非阻塞 <= | q <= d; |
| 组合逻辑 | 阻塞 = | y = a + b; |
⚠️ 错误示例：混用赋值类型
always @(posedge clk) begina = b; // ❌ 错误：阻塞赋值在时序逻辑中易引发竞态c <= a; // 实际 c 得到的是旧值，不是当前周期的 b
end
八、综合注意事项（总结）
| 误用 | 影响 | 修正建议 |
|---|---|---|
@(*) 中漏掉信号 | 可能漏更新，综合错误 | 使用 @(*) 自动推导 |
混用 = 与 <= | 引起竞态与不符合意图 | 遵循赋值语义规则 |
| 不完全赋值 | 可能推断 latch | 加默认路径 / default 分支 |
| 变量多处被赋值 | 冲突或竞态 | 避免变量在多个 always 中赋值 |
九、典型设计范式：分离时序与组合逻辑
// 状态寄存器
always @(posedge clk or negedge rst_n)if (!rst_n) state <= IDLE;else state <= next_state;// 下一状态逻辑
always @(*) begincase (state)IDLE: if (start) next_state = RUN;RUN: if (done) next_state = IDLE;default: next_state = IDLE;endcase
end
✅ 这是 FSM 设计的推荐结构：组合逻辑决定 next_state，时序逻辑更新 state。
十、仿真辅助结构（testbench 中的 always）
always #5 clk = ~clk; // 每 5ns 翻转一次
- 通常用于生成仿真用时钟；
- 非综合代码，仅用于
initial或 testbench。
十一、拓展：SystemVerilog 中的 always_ff / always_comb
| 类型 | SystemVerilog 替代 | 特点 |
|---|---|---|
| 时序逻辑 | always_ff | 自动检查敏感列表，防止误用 |
| 组合逻辑 | always_comb | 自动推导敏感列表 |
✅ 更强语义检查，更安全可维护，但需要 SystemVerilog 工具支持。
十二、实战示例总结：组合 + 寄存器 + 状态机
// 组合逻辑：计数器是否达到最大值
always @(*) begindone = (cnt == 15);
end// 时序逻辑：计数器累加
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)cnt <= 0;else if (en)cnt <= cnt + 1;
end
小结
| 内容 | 核心要点 |
|---|---|
| 语义 | always 块是硬件中的过程行为 |
| 时序建模 | 使用 posedge clk + 非阻塞赋值 |
| 组合建模 | 使用 @(*) + 阻塞赋值，完整赋值 |
| 综合约束 | 不可在综合逻辑中使用 #延迟 等 |
| 推荐实践 | 将时序逻辑与组合逻辑分离建模，提高可读性与综合效果 |