Verilog 之 initial 模块与always 模块的用法与差异

initial

在 Verilog 中，initial 块是用来在模拟开始时执行一次性初始化操作的一种建模方式。它通常用于模拟初始条件或进行一次性的初始化设置，而且只会在模拟开始时执行一次。

语法和用法

initial 关键字后面跟着一个代码块，该代码块中的代码会在仿真开始时执行。这些代码通常用于初始化变量、设置初始状态或进行仿真前的准备工作。

示例：

module ExampleModule;
    reg [3:0] count = 4'b0000; // 初始化一个 4 位寄存器变量 count

    initial begin
        $display("Simulation starts."); // 显示消息，标识仿真开始
        count = count + 1; // 对 count 进行初始化操作
        $display("Count: %d", count); // 显示 count 的值
    end
endmodule

特点和注意事项

• initial 块中的代码只会在仿真开始时执行一次，用于初始化和设置初始状态。
• 不能使用 initial 块来描述时序逻辑或与时钟有关的操作。它只能在仿真开始时执行，无法用于描述时钟触发的行为。
• 在 initial 块中，可以使用系统任务（system task）和常规的 Verilog 语句。

用途

initial 块通常用于进行仿真前的初始化和准备工作。例如，对变量进行初始赋值、在仿真开始时输出一些提示消息、对模拟环境进行设置等。

总之，initial 块在 Verilog 中是一个用于仿真开始时执行一次性初始化的重要构造，在测试环境中常用于准备仿真的初始状态和条件。

always

always 模块是 Verilog 中用于描述组合逻辑和时序逻辑行为的重要关键字之一。它定义了一段代码块，在特定的事件发生时会被触发执行。always 块通常用于描述模块的行为，特别是用于描述时钟触发的行为或特定信号变化的响应。

语法和用法

always 块后面跟着敏感列表（sensitivity list），列表中指定了触发代码块执行的条件。常见的条件有时钟上升沿、下降沿，或特定的信号变化。

示例：

module ExampleModule;
    reg [3:0] count = 4'b0000; // 初始化一个 4 位寄存器变量 count
    always @(posedge clk) begin
        count <= count + 1; // 在时钟的上升沿触发时对 count 进行加一操作
    end
endmodule

在上述示例中，always @(posedge clk) 表示这个 always 块会在时钟信号 clk 的上升沿触发时执行代码块内的操作。count 寄存器在每个时钟上升沿都会加一。

特点和注意事项

• always 块用于描述时序逻辑，通常与时钟触发有关，用于描述在特定事件发生时的操作。
• 敏感列表中的条件可以是时钟信号、特定信号的上升沿或下降沿等。
• 在 always 块内部可以使用非阻塞赋值（<=）来描述寄存器的行为，以及其他逻辑操作。

用途

always 块常用于描述时序逻辑，如在时钟上升沿进行的操作，状态机的行为，寄存器的更新等。它是 Verilog 中进行时序逻辑建模的关键构造之一，对于描述电子系统中的状态和行为至关重要。

需要谨记，always 块描述的是连续执行的行为，因此设计时应注意避免在敏感列表中出现组合逻辑（如一个无限循环的赋值），以避免不必要的仿真问题。

二者差异

在 Verilog 中，initial 块和 always 块都用于描述模块的行为，但它们在仿真开始时的执行顺序是不同的。

• initial 块中的代码在仿真开始时执行一次，用于进行一次性的初始化操作。
• always 块中的代码用于描述时序逻辑行为，当敏感列表中的事件条件发生时，该代码块会被触发执行。

执行顺序：

• initial 块中的代码会在仿真开始时优先执行，用于进行初始化操作。
• always 块中的代码会在初始化完成后开始执行，并会持续地根据敏感列表中的条件进行触发执行，以描述模块的时序逻辑行为。

举例：

module ExampleModule;
    reg [3:0] count = 4'b0000; // 初始化一个 4 位寄存器变量 count

    initial begin
        $display("This is initial block."); // 显示消息，标识 initial 块开始执行
        count = count + 1; // 对 count 进行初始化操作
        $display("Count in initial block: %d", count); // 显示 count 的值
    end

    always @(posedge clk) begin
        $display("This is always block."); // 显示消息，标识 always 块开始执行
        count <= count + 1; // 在时钟的上升沿触发时对 count 进行加一操作
        $display("Count in always block: %d", count); // 显示 count 的值
    end
endmodule

在上述例子中，initial 块中的代码在仿真开始时首先执行，用于进行初始化。接着，always 块中的代码在初始化完成后开始执行，持续地根据时钟信号触发执行。

总的来说，initial 块会在仿真开始时优先执行一次，而 always 块会根据敏感列表中的条件持续触发执行。