PLD/FPGA硬件編程語言Verilog HDL

HDL概述

　　隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，使用硬件語言設(shè)計PLD/FPGA成為一種趨勢。目前最主要的硬件描述語言是VHDL和verilog HDL及System Verilog。 VHDL發(fā)展的較早，語法嚴(yán)格;而Verilog HDL是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬件描述語言,語法較自由;System Verilog可以看做是Verilog HDL的升級版本，她更接近C語言且支持多維數(shù)組。 VHDL和Verilog HDL兩者相比，VHDL的書寫規(guī)則和語法要求很嚴(yán)格，比如不同的數(shù)據(jù)類型之間不容許相互賦值而需要轉(zhuǎn)換，初學(xué)者寫的不規(guī)范代碼一般編譯會報錯;而 Verilog則比較靈活，而靈活在某些時候綜合的結(jié)果可能不是程序員想要的結(jié)果。 System Verilog由于資料不是很多，目前懂得人較少。據(jù)調(diào)查在我國使用Verilog HDL的公司比使用VHDL的公司多。從EDA技術(shù)的發(fā)展上看，已出現(xiàn)用于CPLD/FPGA設(shè)計的硬件C語言編譯軟件，雖然還不成熟，應(yīng)用極少，但它有可能會成為繼VHDL和Verilog之后，設(shè)計大規(guī)模CPLD/FPGA的又一種手段。

　　選擇VHDL或者verilog HDL還是System Verilog?

　　這是一個初學(xué)者最常見的問題。其實這三種語言的差別并不大，他們的描述能力也是類似的。掌握其中一種語言以后，可以通過短期的學(xué)習(xí)，較快的學(xué)會另一種語言，掌握了verilog HDL學(xué)System Verilog則更是簡單。選擇何種語言主要還是看周圍人群的使用習(xí)慣，這樣可以方便日后的學(xué)習(xí)交流。 當(dāng)然，如果您是集成電路(ASIC)設(shè)計人員，則必須首先掌握verilog，因為在IC設(shè)計領(lǐng)域，90%以上的公司都是采用verilog進(jìn)行IC設(shè)計。對于PLD/FPGA設(shè)計者而言，三種語言可以自由選擇。如果你熟悉C語言，則建議你學(xué)習(xí)verilog HDL，你會發(fā)現(xiàn)verilog HDL的許多語法和關(guān)鍵字和C語言中的相同，使你能夠很快突破語言障礙，快速入門。

　　學(xué)習(xí)HDL的幾點重要提示

　　1.了解HDL的可綜合性問題：

　　HDL有兩種用途：系統(tǒng)仿真和硬件實現(xiàn)。 如果程序只用于仿真，那么幾乎所有的語法和編程方法都可以使用。 但如果我們的程序是用于硬件實現(xiàn)(例如：用于FPGA設(shè)計)，那么我們就必須保證程序“可綜合”(程序的功能可以用硬件電路實現(xiàn))。 不可綜合的HDL語句在軟件綜合時將被忽略或者報錯。 我們應(yīng)當(dāng)牢記一點： “所有的HDL描述都可以用于仿真，但不是所有的HDL描述都能用硬件實現(xiàn)。”

　　2. 用硬件電路設(shè)計思想來編寫HDL:

　　學(xué)好HDL的關(guān)鍵是充分理解HDL語句和硬件電路的關(guān)系。 編寫HDL，就是在描述一個電路，我們寫完一段程序以后，應(yīng)當(dāng)對生成的電路有一些大體上的了解， 而不能用純軟件的設(shè)計思路來編寫硬件描述語言。 要做到這一點，需要我們多實踐，多思考，多總結(jié)。

　　3.語法掌握貴在精，不在多

　　20%的基本HDL語句就可以完成80%以上的電路設(shè)計，30%的基本HDL語句就可以完成95%以上的電路設(shè)計，很多生僻的語句并不能被所有的綜合軟件所支持，在程序移植或者更換軟件平臺時，容易產(chǎn)生兼容性問題，也不利于其他人閱讀和修改。建議多用心鉆研常用語句，理解這些語句的硬件含義，這比多掌握幾個新語法要有用的多。

　　HDL與原理圖輸入法的關(guān)系

　　HDL和傳統(tǒng)的原理圖輸入方法的關(guān)系就好比是高級語言和匯編語言的關(guān)系。HDL的可移植性好，使用方便，但效率不如原理圖;原理圖輸入的可控性好，效率高，比較直觀，但設(shè)計大規(guī)模CPLD/FPGA時顯得很煩瑣，移植性差。在真正的PLD/FPGA設(shè)計中，通常建議采用原理圖和HDL結(jié)合的方法來設(shè)計，適合用原理圖的地方就用原理圖，適合用HDL的地方就用HDL，并沒有強(qiáng)制的規(guī)定。在最短的時間內(nèi)，用自己最熟悉的工具設(shè)計出高效，穩(wěn)定，符合設(shè)計要求的電路才是我們的最終目的。

　　HDL開發(fā)流程

　　用VHDL/VerilogHD語言開發(fā)PLD/FPGA的完整流程為：

　　1.文本編輯：用任何文本編輯器都可以進(jìn)行，也可以用專用的HDL編輯環(huán)境。通常VHDL文件保存為.vhd文件，Verilog文件保存為.v文件

　　2.功能仿真：將文件調(diào)入HDL仿真軟件進(jìn)行功能仿真，檢查邏輯功能是否正確(也叫前仿真，對簡單的設(shè)計可以跳過這一步，只在布線完成以后，進(jìn)行時序仿真)

　　3.邏輯綜合：將源文件調(diào)入邏輯綜合軟件進(jìn)行綜合，即把語言綜合成最簡的布爾表達(dá)式和信號的連接關(guān)系。邏輯綜合軟件會生成.edf(edif)的EDA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件。

　　4.布局布線：將.edf文件調(diào)入PLD廠家提供的軟件中進(jìn)行布線，即把設(shè)計好的邏輯安放到PLD/FPGA內(nèi)

　　5.時序仿真：需要利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)，用仿真軟件驗證電路的時序。(也叫后仿真)

　　6.編程下載：確認(rèn)仿真無誤后，將文件下載到芯片中

　　通常以上過程可以都在PLD/FPGA廠家提供的開發(fā)工具(如QuartusII，ISP，ISE)中完成，但許多集成的PLD開發(fā)軟件只支持VHDL /Verilog的子集，可能造成少數(shù)語法不能編譯，如果采用專用HDL工具分開執(zhí)行，效果會更好，否則這么多出售專用HDL開發(fā)工具的公司就沒有存在的理由了。