【必看】时序逻辑仿真成组合逻辑？你知道原因吗？

  对于初学者，一般会遇到这种情况，明明写的时序逻辑，结果仿真结果却是组合逻辑，然后看遍设计代码，始终找不到原因，交流群、知乎这种问题随处可见。但不要怀疑软件问题，modelsim这些专用软件基本不会遇见软件自身问题，原因其实很简单，因为多数人只关注设计文件不会关注TestBentch的合理性，导致找不到问题原因，后文分析原因并给出避免这种问题​的方法。

  在仿真时经常会使用“#”和“@(posedge clk)”来实现延迟，“#”后面跟数字，表示延迟数字对应最小的时间单位，而“@(posedge clk)”则用来检测clk信号上升沿，如果CYCLE表示始终周期对应的时间长度，那么“#(CYCLE)”表示延迟一个时钟周期长度的时间。在时钟上升沿输出数据后，使用“@(posedge clk)”，会延迟到下个时钟上升沿，同样也可以表示延迟一个时钟周期，那有没有区别？

  分析以下代码，输出dout就是两个输入dataa与datab相加，由于是时序逻辑，dout会延迟dataa或datab变化后的一个时钟周期。

module add(  
   input                clk     ,//系统时钟；  
   input                rst_n   ,//系统复位，低电平有效；  

   input       [3 : 0]  data_a  ,//加数dataa；  
   input       [3 : 0]  data_b  ,//加数datab；  
   output reg  [4 : 0]  dout      
   );
   always@(posedge clk or negedge rst_n)begin  
      if(rst_n==1'b0)begin//初始值为0;  
         dout <= 4'd0;  
      end  
      else begin  
         dout <= data_a + data_b;  
      end  
   end

endmodule

  Testbench如下所示：

`timescale 1 ns/1 ns  
module test();  
   parameter   CYCLE       =  10    ;//系统时钟周期，单位ns，默认10ns；  
   parameter   RST_TIME    =  5     ;//系统复位持续时间；  
   parameter   STOP_TIME   =  100   ;//仿真运行时间，复位完成后运行100个系统时钟后停止；  

   reg                        clk   ;//系统时钟，默认100MHz；  
   reg                        rst_n ;//系统复位，默认低电平有效；  
   reg         [3 : 0]        data_a;  
	reg         [3 : 0]        data_b;
	wire        [4 : 0]        dout  ;  
	
   add  u_add (  
      .clk        ( clk       ),  
      .rst_n      ( rst_n     ),  
      .data_a     ( data_a    ),  
      .data_b     ( data_b    ),  
      .dout       ( dout      )  
   );  
	//生成周期为CYCLE数值的系统时钟;  
	initial begin  
      clk = 1;  
      forever #(CYCLE/2) clk=~clk;  
	end
   //生成复位信号；  
   initial begin  
      rst_n = 1;  
      #2;  
      rst_n = 0;//开始时复位10个时钟；  
      #(RST_TIME*CYCLE);  
      rst_n = 1;  
   end  
   //生成输入信号din;  
   initial begin  
      data_a = 0;data_b=0;//输入数据初始化为0；  
      #(10*CYCLE);//延迟10个时钟周期；  
      repeat(STOP_TIME)begin//循环STOP_TIME次；
         #(CYCLE);  
         data_a = {$random} % 16;  
         data_b = {$random} % 16;  
      end  
      $stop;//停止仿真；  
   end

endmodule

  使用modelsim仿真如下图所示，奇怪的是为什么时序逻辑仿真成组合逻辑了？

图1 使用#延迟仿真结果

  分析：加法器代码肯定是没有问题的，modelsim软件也是经过fpga设计以及IC设计人员多年使用，是最常用的仿真工具，也不可能出现这样的低级bug。如果你把代码下载到开发板上，使用在线逻辑分析仪抓取数据，能够得到正确的运行结果，但是仿真就是错误的。这是为什么？那就只剩下写的testbench文件了，来看下testbench与输出相关的信号，首先时钟和复位信号是没有问题的，那就只剩下dataa与datab的产生模块了，如下所示：

//生成输入信号din;  
initial begin  
   data_a = 0;data_b=0;//输入数据初始化为0；  
   #(10*CYCLE);//延迟10个时钟周期；  
   repeat(STOP_TIME)begin//循环STOP_TIME次；
      #(CYCLE);  
      data_a = {$random} % 16;  
      data_b = {$random} % 16;  
   end  
      $stop;//停止仿真；  
end

  开始仿真时两个输入信号都被赋值为0，经10个时钟延迟之后进入forever循环内，每次循环之前都会把数据延迟一个时钟周期，然后在对两个输入信号赋一个0~15的随机值。逻辑上其实没有问题，但是注意一个问题，每次给dataa和datab赋值时间与时钟clk上升沿是对齐的，导致D触发器的输入信号在时钟上升沿时发生变化，由此导致D触发器数据采集错误，最终导致D触发器输出信号dout提前更新数据。这里实际上与保持时间违例有点类似，D触发器的下一个输入数据来得过快，影响了上一个数据的采集。

  解决方法很简单，因为是数据刚好在时钟上升沿时发生更新导致D触发器数据采集错误，那么把两个输入数据全部延迟一点不就行了，修改如下，将两个输入数据的所有变化均延迟1ns，与时钟上升沿错开。

//生成输入信号din;  
initial begin  
   #1;  
   data_a = 0;data_b=0;//输入数据初始化为0；  
   #(10*CYCLE);//延迟10个时钟周期；  
   repeat(STOP_TIME)begin//循环STOP_TIME次；  
      #(CYCLE);  
      data_a = {$random} % 16;  
      data_b = {$random} % 16;  
      end  
      $stop;//停止仿真；  
end

  修改后仿真结果如下：

图2 添加#1的仿真结果

  从上面仿真结果就可以看到，dataa与datab的变化都延迟时钟上升沿1ns之后，就没有在影响仿真结果了。这也是为什么很多代码在对信号赋值之前会延迟1ns的原因，就是为了数据变化与时钟上升沿错开，避免发生上面这种由于testbench书写问题所引发的离奇结果。

  使用“#”会引发上面问题，那如果过使用“@(posedge clk)”这种写法还会出现那样的仿真结果？

  先给答案，不会出现类似问题，因为“@(posedge clk)”表示已经检测到时钟上升沿了，那么在这之后更新的数据自然与时钟上升沿就是错开的了。

  同样的案例，只是把dataa和datab赋值的部分改成如下代码。

//生成输入信号din;  
initial begin  
   data_a = 0;data_b=0;//输入数据初始化为0；  
   #(10*CYCLE);//延迟10个时钟周期；  
   repeat(STOP_TIME) @(posedge clk)begin//循环STOP_TIME次；  
      data_a = {$random} % 16;  
      data_b = {$random} % 16;  
   end  
   $stop;//停止仿真；  
end

  上面代码表达结果与下面代码一致。

//生成输入信号din;  
initial begin  
   data_a = 0;data_b=0;//输入数据初始化为0；  
   #(10*CYCLE);//延迟10个时钟周期；  
   repeat(STOP_TIME)begin//循环STOP_TIME次；  
      @(posedge clk);  
      data_a = {$random} % 16;  
      data_b = {$random} % 16;  
   end  
      $stop;//停止仿真；  
end

  仿真结果如下，没有出现任何问题，数据变化近似与时钟上升沿对齐，但是输出数据dout没有受到影响，这就是“@(posedge clk)”的效果。

图3 使用@(posedge clk)的仿真结果

  “#”和“@(posedge clk)”虽然都可以写成延时几个时钟周期的形式，但是他们是有区别的，区别在与“#”延迟与时钟其实没有关系，就有可能和时钟上升沿重合，这是使用是需要注意的，建议在仿真开始时就对数据延迟1ns然后在赋值，与时钟信号变化错位。而“@(posedge clk)”本质是检测时钟上升沿，在时钟上升沿之后才会去执行后面的语句，所以数据变化与时钟上升沿变化是错位的，不会出现“#”那种问题。

  上述从效果看肯定是使用“@(posedge clk)”，作为延迟更好，使用“#(CYCLE)”延迟一个时钟更号理解，但是要注意可能遇到的问题，一般使用模板时，赋值语句开头会带有“#1;”，或者在每次赋值前用“@(posedge clk)”作为延迟，如下我常用赋值模板。

//生成输入信号din;  
initial begin  
   #1;din = 0;//输入数据初始化为0；  
   #(10*CYCLE);//延迟10个时钟周期；  
   
end