Verilog HDL語言在FPGA/CPLD開發(fā)中的應(yīng)用

1 引言

近30年來，由于微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，給EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)行業(yè)帶來了巨大的變化。特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，電子系統(tǒng)已經(jīng)從電路板級(jí)系統(tǒng)集成發(fā)展成為包括ASIC、FPGA和嵌入系統(tǒng)的多種模式?？梢哉fEDA產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為電子信息類產(chǎn)品的支柱產(chǎn)業(yè)。EDA之所以能蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵因素之一就是采用了硬件描述語言(HDL)描述電路系統(tǒng)。就FPGA和CPLD開發(fā)而言，比較流行的HDL主要有Verilog HDL、VHDL、ABEL-HDL和 AHDL 等，其中VHDL和Verilog HDL因適合標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向而最終成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。但與VHDL相比，Verilog HDL有個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)：它是一種非常容易掌握的硬件描述語言，只要有C語言的編程基礎(chǔ)，一般經(jīng)過2～3個(gè)月的認(rèn)真學(xué)習(xí)和實(shí)際操作就能掌握這種設(shè)計(jì)技術(shù)。并且完成同一功能Verilog HDL的程序條數(shù)一般僅為VHDL的1/3。而VHDL設(shè)計(jì)技術(shù)則不很直觀，需要有EDA編程基礎(chǔ)，通常需要有多余半年的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握這們技術(shù)?？梢姡肰erilog HDL語言有更高的優(yōu)越性。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

通常設(shè)計(jì)數(shù)字電路大都采用自頂向下將系統(tǒng)按功能逐層分割的層次化設(shè)計(jì)方法，這比傳統(tǒng)自下向上的EDA設(shè)計(jì)方法有更明顯的優(yōu)勢(shì)(當(dāng)時(shí)的主要設(shè)計(jì)文件是電路圖)。因?yàn)橛勺皂斚蛳碌脑O(shè)計(jì)過程可以看出，從總體行為設(shè)計(jì)開始到最終邏輯綜合，形成網(wǎng)絡(luò)表為止。每一步都要進(jìn)行仿真檢查，這樣有利于盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，從而可以大大縮短系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)周期。這也是HDL語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。并且在頂層設(shè)計(jì)中,要對(duì)內(nèi)部各功能塊的連接關(guān)系和對(duì)外的接口關(guān)系進(jìn)行描述。而功能塊實(shí)際的邏輯功能和具體的實(shí)現(xiàn)形式則由下一層模塊來描述。在系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)中，由于其對(duì)系統(tǒng)很強(qiáng)的行為描述能力，可以不必使系統(tǒng)層層細(xì)化，從而避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上直接對(duì)模塊進(jìn)行描述和設(shè)計(jì)，隨后EDA設(shè)計(jì)軟件或相應(yīng)的第三方工具軟件中的綜合器將程序自動(dòng)綜合成為具體FPGA/CPLD等目標(biāo)芯片的網(wǎng)表文件，這種避開具體器件結(jié)構(gòu)的方式也是它的重要優(yōu)勢(shì)之一。

下面以序列檢測(cè)器的設(shè)計(jì)為例具體說明。

序列檢測(cè)器是時(shí)序數(shù)字電路中非常常見的設(shè)計(jì)之一。它的主要功能是:將一個(gè)指定的序列從數(shù)字碼流中識(shí)別出來。接下來就以設(shè)計(jì)“01101”這個(gè)序列的檢測(cè)器為例，說明Verilog HDL語言的具體應(yīng)用。設(shè)X為數(shù)字碼流輸入，Z為檢出標(biāo)記輸出，高電平表示“發(fā)現(xiàn)指定序列”,低電平表示“沒有發(fā)現(xiàn)指定的序列”。設(shè)輸入的碼流為“001101101111011111...”,則其序列檢測(cè)器的邏輯功能如表1所示。

在時(shí)鐘2～6中,碼流X里出現(xiàn)指定序列“01101”,對(duì)應(yīng)輸出Z在第6個(gè)時(shí)鐘變?yōu)楦唠娖?ldquo;1”,表示發(fā)現(xiàn)指定序列“01101”，Z輸出“1”。同理在第9個(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)輸出Z也為“1”。根據(jù)這個(gè)邏輯功能描述,我們可以分析得出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(見圖1)。

其中狀態(tài)A～E表示5位序列“01101”按順序正確地出現(xiàn)在碼流中。因?yàn)檩斎氪a流X是隨機(jī)的,因此可能會(huì)有很多重疊的情況發(fā)生。這樣在轉(zhuǎn)換圖中相應(yīng)的還要有狀態(tài)F和G。設(shè)初始狀態(tài)為IDLE，則有相應(yīng)的Verilog HDL語言程序如下。

module seqdet(x,z,clk,rst);

input x,clk,rst;

output z;

reg[2:0] state;

wire z;

parameter IDLE=3'd0,

A=3'd1,

B=3'd2,

C=3'd3,

D=3'd4,

E=3'd5,

F=3'd6,

G=3'd7;

assign z=(state==D && x==1)?1:0;

always@(posedge clk or negedge rst)

if(!rst)

begin

state<=IDLE;

end

else

casex(state)

IDLE:if(x==0)

state<=A;

else state<=IDLE;

A:if(x==1)

state<=B;

else state<=A;

B:if(x==1)

state<=C;

else state<=F;

C:if(x==0)

state<=D;

else state<=G;

D:if(x==1)

state<=E;

else state<=A;

E:if(x==1)

state<=C;

else state<=A;

F:if(x==0)

state<=A;

else state<=B;

G:if(x==0)

state<=F;

else state<=G;

default: state<=IDLE;

endcase

endmodule

由上述這個(gè)程序可以看出:Verilog HDL程序是由模塊構(gòu)成的。每個(gè)模塊的內(nèi)容都是嵌在module和endmodule兩個(gè)語句之間實(shí)現(xiàn)特定的功能的。每個(gè)模塊都由兩部分組成,一部分描述接口;另一部分描述邏輯功能，即定義輸入是如何影響輸出的。如程序中的sequdet(x,z,clk,rst)就是模塊的端口，聲明了模塊的輸入、輸出口。接下來就是模塊中最重要的部分邏輯功能的定義。在模塊中產(chǎn)生邏輯，Verilog HDL語言有3種方法：

(1)用“assign”聲明語句。這種方法很簡單，只需寫一個(gè)“assign”,后面再加一個(gè)方程式即可。這也是最常用的方法之一。如程序中的assign z==(state==D && x==1)?1:0;就表示狀態(tài)為D時(shí)又收到了1，表明收到“01101”應(yīng)使Z輸出為高電平。

(2)用“always”塊。它常被用來描述時(shí)序邏輯，上面的程序中即用這個(gè)模塊完成了狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化功能。

(3)采用實(shí)例元件的方法。這時(shí)只要鍵入元件的名字和相連的引腳即可。這樣就可以用上面這不長的程序，完成這個(gè)對(duì)序列的檢測(cè)功能，并且邏輯描述也十分容易理解。

上述程序輸入完成后,接下來首先要經(jīng)EDA設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行編譯。本設(shè)計(jì)采用的是美國ALTERA公司的MAX+PLUSII軟件,經(jīng)Compiler編譯器編譯,沒有任何問題后。建網(wǎng)表、邏輯綜合、適配、劃分、時(shí)域分析、裝配等均已自動(dòng)完成,并生成多個(gè)后續(xù)工作要用的文件。編譯成功表明已為所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目建立了一個(gè)編程文件,但還不能說明該文件在各種情況下都有正確的響應(yīng),因此編譯通過后還要進(jìn)行功能和時(shí)序仿真,仿真結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)輸出Z和輸入X有一段延時(shí)。通過波形很難給出定量的信號(hào)延時(shí)關(guān)系,為此我們?cè)谶M(jìn)行定時(shí)分析。定時(shí)分析結(jié)果如圖3所示,從表中顯示出了“CLK”到“Z”的延遲路徑為7.6ns、“X”到“Z”的延遲路徑為6ns。這樣,經(jīng)Verilog HDL語言的文本編輯、編譯、仿真波形編輯、仿真和定時(shí)分析一系列設(shè)計(jì)步驟,設(shè)計(jì)出符合要求的數(shù)字系統(tǒng)后就可以通過編程器下載到指定的芯片中去。

綜上所述,則更能體會(huì)到Verilog HDL語言的優(yōu)勢(shì):由于它在其門級(jí)描述的底層,也就是晶體管開關(guān)的描述方面比VHDL等各種其它的HDL語言有更強(qiáng)的功能。所以在復(fù)雜數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真時(shí)更有優(yōu)勢(shì);描述的設(shè)計(jì)思想、電路結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系清晰明了,并且設(shè)計(jì)語言簡練、易學(xué)易用;其模塊化分層結(jié)構(gòu)在大規(guī)模設(shè)計(jì)時(shí)更能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。因此可以看出，Verilog HDL語言在EDA設(shè)計(jì)中相對(duì)與其他的各種硬件描述語言更有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

隨著集成電路規(guī)模的越來越大，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的越來越復(fù)雜，Verilog HDL語言在硬件電路設(shè)計(jì)的優(yōu)越性也會(huì)越來越顯突出。目前，數(shù)百萬門規(guī)模的FPGA/CPLD已進(jìn)入實(shí)用，Verilog HDL強(qiáng)大的系統(tǒng)描述能力、規(guī)范的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和簡潔、靈活的編程風(fēng)格會(huì)使其必將能會(huì)用來完成大數(shù)字系統(tǒng)、超大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)的幾乎全部設(shè)計(jì)任務(wù)。