Verilog一例（同步与异步时序）

问题

1. 顶层模块有一个50MHz时钟输入（使用testbench实现）；一个8位信号输出。

2. 有一个容量为90的8位RAM子模块，每个时钟上升沿，RAM根据8位地址线，输出对应的数据。

3. 顶层模块在每100个时钟周期里，前10个时钟周期信号无效，输出为0；后面90个时钟周期，输出值分别为RAM中地址0~89的数据。

代码实现

RAM子模块

module ram(
    input clk,
    input [7:0] addr,
    output reg [7:0] data
);

always @(posedge clk) begin
    data <= addr;
end

endmodule

顶层模块

module sync_async(
);

// 50MHz时钟 testbench
reg clk = 0;
always #10 clk = ~clk;

// 0~99循环计数器
reg [7:0] cnt = 0;
always @(posedge clk) begin
    if(cnt == 99)
        cnt <= 0;
    else
        cnt <= cnt + 1;
end

// 数据有效
wire valid;
assign valid = cnt >= 10;

// 地址线
wire [7:0] addr;
assign addr = cnt - 10;

// 调用子模块，读取ram数据
wire [7:0] ramdata;
ram ram1(clk, addr, ramdata);

// 输出
wire [7:0] out;
assign out = valid ? ramdata : 0;

endmodule

仿真与分析

一眼看上去，好像程序是没有问题的。

使用软件进行仿真后的时序图如下。

从仿真波形就看出问题来了。当cnt=0~9的时候，输出都是out=0没有问题。但是当cnt=10的时候，输出变成了255。之后所有的数据都滞后了一个时钟周期。

原因在于代码中的同步异步设计不协调。

代码中，RAM子模块是上升沿触发并且同步输出的（这样也比较符合正常的RAM结构），而不是直接由组合逻辑电路实现。如果直接将assign addr = cnt - 10作为RAM的地址线，RAM的输出相对于addr和cnt的值会滞后一个周期。也就是说，当RAM输出地址为0的数据时，实际上addr的值已经是1了。

在RAM模块的always语句中（always @(posedge clk) data <= addr;），使用同步赋值操作data <= addr在时钟上升沿时触发，上升沿结束后data输出的值，为上升沿前一瞬间addr的值。

而另一方面，valid变量却使用的是直接异步赋值，相比cnt，不会有滞后。

于是在cnt==10的时候，valid已经变成1，而RAM还没有输出地址为0的数据，所以发生了与设计不相符的问题。

解决方法

一种比较容易想到的方法是，将valid信号的跳变，也设计成和RAM一样的上升沿同步触发。即将

// 数据有效
wire valid;
assign valid = cnt >= 10;

改为

// 数据有效
reg valid = 0;
always @(posedge clk) begin
    valid = cnt >= 10;
end

修改正确后的仿真波形如下图，可以看出valid信号和RAM信号相对于cnt，都滞后了一个周期。从而实现了问题中给出的要求。