??對于初學者，一般會遇到這種情況，明明寫的時序邏輯，結(jié)果仿真結(jié)果卻是組合邏輯，然后看遍設(shè)計代碼，始終找不到原因，交流群、知乎這種問題隨處可見。但不要懷疑軟件問題，modelsim這些專用軟件基本不會遇見軟件自身問題，原因其實很簡單，因為多數(shù)人只關(guān)注設(shè)計文件不會關(guān)注TestBentch的合理性，導致找不到問題原因，后文分析原因并給出避免這種問題?的方法。

??在仿真時經(jīng)常會使用“#”和“@(posedge clk)”來實現(xiàn)延遲，“#”后面跟數(shù)字，表示延遲數(shù)字對應(yīng)最小的時間單位，而“@(posedge clk)”則用來檢測clk信號上升沿，如果CYCLE表示始終周期對應(yīng)的時間長度，那么“#(CYCLE)”表示延遲一個時鐘周期長度的時間。在時鐘上升沿輸出數(shù)據(jù)后，使用“@(posedge clk)”，會延遲到下個時鐘上升沿，同樣也可以表示延遲一個時鐘周期，那有沒有區(qū)別？

??分析以下代碼，輸出dout就是兩個輸入dataa與datab相加，由于是時序邏輯，dout會延遲dataa或datab變化后的一個時鐘周期。

module add(  input                clk     ,//系統(tǒng)時鐘；  input                rst_n   ,//系統(tǒng)復位，低電平有效；  input       [3 : 0]  data_a  ,//加數(shù)dataa；  input       [3 : 0]  data_b  ,//加數(shù)datab；  output reg  [4 : 0]  dout      );always@(posedge clk or negedge rst_n)begin  if(rst_n==1'b0)begin//初始值為0;  dout <= 4'd0;  end  else begin  dout <= data_a + data_b;  end  endendmodule

??Testbench如下所示：

`timescale 1 ns/1 ns  
module test();  parameter   CYCLE       =  10    ;//系統(tǒng)時鐘周期，單位ns，默認10ns；  parameter   RST_TIME    =  5     ;//系統(tǒng)復位持續(xù)時間；  parameter   STOP_TIME   =  100   ;//仿真運行時間，復位完成后運行100個系統(tǒng)時鐘后停止；  reg                        clk   ;//系統(tǒng)時鐘，默認100MHz；  reg                        rst_n ;//系統(tǒng)復位，默認低電平有效；  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      )  );  //生成周期為CYCLE數(shù)值的系統(tǒng)時鐘;  initial begin  clk = 1;  forever #(CYCLE/2) clk=~clk;  end//生成復位信號；  initial begin  rst_n = 1;  #2;  rst_n = 0;//開始時復位10個時鐘；  #(RST_TIME*CYCLE);  rst_n = 1;  end  //生成輸入信號din;  initial begin  data_a = 0;data_b=0;//輸入數(shù)據(jù)初始化為0；  #(10*CYCLE);//延遲10個時鐘周期；  repeat(STOP_TIME)begin//循環(huán)STOP_TIME次；#(CYCLE);  data_a = {$random} % 16;  data_b = {$random} % 16;  end  $stop;//停止仿真；  endendmodule

??使用modelsim仿真如下圖所示，奇怪的是為什么時序邏輯仿真成組合邏輯了？

圖1 使用#延遲仿真結(jié)果

??分析：加法器代碼肯定是沒有問題的，modelsim軟件也是經(jīng)過fpga設(shè)計以及IC設(shè)計人員多年使用，是最常用的仿真工具，也不可能出現(xiàn)這樣的低級bug。如果你把代碼下載到開發(fā)板上，使用在線邏輯分析儀抓取數(shù)據(jù)，能夠得到正確的運行結(jié)果，但是仿真就是錯誤的。這是為什么？那就只剩下寫的testbench文件了，來看下testbench與輸出相關(guān)的信號，首先時鐘和復位信號是沒有問題的，那就只剩下dataa與datab的產(chǎn)生模塊了，如下所示：

//生成輸入信號din;  
initial begin  data_a = 0;data_b=0;//輸入數(shù)據(jù)初始化為0；  #(10*CYCLE);//延遲10個時鐘周期；  repeat(STOP_TIME)begin//循環(huán)STOP_TIME次；#(CYCLE);  data_a = {$random} % 16;  data_b = {$random} % 16;  end  $stop;//停止仿真；  
end

??開始仿真時兩個輸入信號都被賦值為0，經(jīng)10個時鐘延遲之后進入forever循環(huán)內(nèi)，每次循環(huán)之前都會把數(shù)據(jù)延遲一個時鐘周期，然后在對兩個輸入信號賦一個0~15的隨機值。邏輯上其實沒有問題，但是注意一個問題，每次給dataa和datab賦值時間與時鐘clk上升沿是對齊的，導致D觸發(fā)器的輸入信號在時鐘上升沿時發(fā)生變化，由此導致D觸發(fā)器數(shù)據(jù)采集錯誤，最終導致D觸發(fā)器輸出信號dout提前更新數(shù)據(jù)。這里實際上與保持時間違例有點類似，D觸發(fā)器的下一個輸入數(shù)據(jù)來得過快，影響了上一個數(shù)據(jù)的采集。

??解決方法很簡單，因為是數(shù)據(jù)剛好在時鐘上升沿時發(fā)生更新導致D觸發(fā)器數(shù)據(jù)采集錯誤，那么把兩個輸入數(shù)據(jù)全部延遲一點不就行了，修改如下，將兩個輸入數(shù)據(jù)的所有變化均延遲1ns，與時鐘上升沿錯開。

//生成輸入信號din;  
initial begin  #1;  data_a = 0;data_b=0;//輸入數(shù)據(jù)初始化為0；  #(10*CYCLE);//延遲10個時鐘周期；  repeat(STOP_TIME)begin//循環(huán)STOP_TIME次；  #(CYCLE);  data_a = {$random} % 16;  data_b = {$random} % 16;  end  $stop;//停止仿真；  
end

??修改后仿真結(jié)果如下：

圖2 添加#1的仿真結(jié)果

??從上面仿真結(jié)果就可以看到，dataa與datab的變化都延遲時鐘上升沿1ns之后，就沒有在影響仿真結(jié)果了。這也是為什么很多代碼在對信號賦值之前會延遲1ns的原因，就是為了數(shù)據(jù)變化與時鐘上升沿錯開，避免發(fā)生上面這種由于testbench書寫問題所引發(fā)的離奇結(jié)果。

??使用“#”會引發(fā)上面問題，那如果過使用“@(posedge clk)”這種寫法還會出現(xiàn)那樣的仿真結(jié)果？

??先給答案，不會出現(xiàn)類似問題，因為“@(posedge clk)”表示已經(jīng)檢測到時鐘上升沿了，那么在這之后更新的數(shù)據(jù)自然與時鐘上升沿就是錯開的了。

??同樣的案例，只是把dataa和datab賦值的部分改成如下代碼。

//生成輸入信號din;  
initial begin  data_a = 0;data_b=0;//輸入數(shù)據(jù)初始化為0；  #(10*CYCLE);//延遲10個時鐘周期；  repeat(STOP_TIME) @(posedge clk)begin//循環(huán)STOP_TIME次；  data_a = {$random} % 16;  data_b = {$random} % 16;  end  $stop;//停止仿真；  
end

??上面代碼表達結(jié)果與下面代碼一致。

//生成輸入信號din;  
initial begin  data_a = 0;data_b=0;//輸入數(shù)據(jù)初始化為0；  #(10*CYCLE);//延遲10個時鐘周期；  repeat(STOP_TIME)begin//循環(huán)STOP_TIME次；  @(posedge clk);  data_a = {$random} % 16;  data_b = {$random} % 16;  end  $stop;//停止仿真；  
end

??仿真結(jié)果如下，沒有出現(xiàn)任何問題，數(shù)據(jù)變化近似與時鐘上升沿對齊，但是輸出數(shù)據(jù)dout沒有受到影響，這就是“@(posedge clk)”的效果。

圖3 使用@(posedge clk)的仿真結(jié)果

??“#”和“@(posedge clk)”雖然都可以寫成延時幾個時鐘周期的形式，但是他們是有區(qū)別的，區(qū)別在與“#”延遲與時鐘其實沒有關(guān)系，就有可能和時鐘上升沿重合，這是使用是需要注意的，建議在仿真開始時就對數(shù)據(jù)延遲1ns然后在賦值，與時鐘信號變化錯位。而“@(posedge clk)”本質(zhì)是檢測時鐘上升沿，在時鐘上升沿之后才會去執(zhí)行后面的語句，所以數(shù)據(jù)變化與時鐘上升沿變化是錯位的，不會出現(xiàn)“#”那種問題。

??上述從效果看肯定是使用“@(posedge clk)”，作為延遲更好，使用“#(CYCLE)”延遲一個時鐘更號理解，但是要注意可能遇到的問題，一般使用模板時，賦值語句開頭會帶有“#1;”，或者在每次賦值前用“@(posedge clk)”作為延遲，如下我常用賦值模板。

//生成輸入信號din;  
initial begin  #1;din = 0;//輸入數(shù)據(jù)初始化為0；  #(10*CYCLE);//延遲10個時鐘周期；  end