（电路与系统专业论文）集成电路VHDLRTL逻辑综合研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

街交通人学倾f j 学位论文摘要 集成电路v h d lr t l 逻辑综合研究 摘要 ， - ( 综合是将硬件的一个抽象描述转化为一个基于库的门级描述。 过去的一些辅助软件，功能极其有限。随着设计规模的扩大，复杂 、 、 程度的增加，那些依靠人工进行设计和输入的方法已经不适合社会 、 发展的需要了。不但其周期长，工作量大，而且容易出错，对于一 些极其复杂和大规模的系统，手工设计已经不可想象。由此而产生 的技术就是e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 工具。e d a 工具 将硬件描述语言转化为优化的门级描述，而硬件描述语言提供一个 独立于库的硬件描述，该描述既可以进行模拟也可以进行综合。利 用综合技术的优点是可以很容易地用程序描述一个硬件系统，然后 利用综合工具将描述生成所需要的硬件。当然，综合也有局限性， 并不是所有的硬件语言描述都可以综合，可综合的语言描述有一定 的描述风格。库技术、约束条件、参数也都是影响综合的因素。由 于硬件描述和硬件实现之间的不完全映射，硬件描述及综合风格也 。 、 有多样性，因此，综合过程中的人工干预也是必不可少的。， v h d l 是标准的硬件描述语言。基于v h d l 的综合技术也迅速 发展起来。直接对硬件语言描述进行综合的有行为级综合和寄存器 传输级( r t l ) 综合两种。但是，语言的纯软件描述与物理硬件之 问还是有相当的距离，行为级描述太抽象，直接从行为级描述到物 理硬件实现在目前来说还不是很成熟，现有的一些行为级综合工具 海交通人学顺i + 学位论文摘监 的能力也是有很大限制。而寄存器传输级描述由用户划分时序，然 后在各个时序中描述数据流的传输。本文研究的就是v h d l 语言的 r t l 级综合。 f 本文给出一个可综合设计的流程，并根据自己的工作对其中几 个环节进行详细阐述。 第一部分分析硬件描述语言v h d l 的语言结构。v h d l 是一种 功能强大但也比较复杂的语言。该部分给出该语言有哪些主要的语 言结构，它们的抽象含义，并分析其适合进行建摸的地方。第二部 分是给出v h d l 的语法分析。语法分析是综合的第一步，如何给出 个合适的语法树以及各种符号表，将影响到语法分析的效率和可 维护性。v h d l 有一个不足，它是有歧义的语言，它的文法是二义 性的。文章给出产生二义性的地方，给出修改文法的方法。进行语 法分析中用到的一个工具是y a y ，它比常用的y a c c 工具有更强大 的功能。利用这个功能文章给出文法规则及相应的解决方法。第三 部分给出综合的方法。语法分析给出语言描述的语法树及相应的符 号表，该过程是在其基础上进行语义分析，根据不同的语义，生成 相应的门级网表。第四部分是给出v h d l 语言级的一些优化。由于 硬件描述最终生成的是物理器件，冗余的结构将会增加系统的规模， 对v h d l 语言描述的优化可以在更大范围、更高层次上进行优化。 所以在语言级上结合硬件描述语言的特点，给出一个优化的方法也 是很必要婀y j f 关键词；v h d l ，r t l 综销语法分析，优化，歧义文法 ! ：塑窒里叁兰丝! ：堂笪笙兰! ! ! ! 竺!一 s t u d i e so n v h d l r t ll o g i cs y n t h e s i s f o ri n t e g r a t e dc l r c u i t s a b s t r a c t s y n t h e s i si st h et r a n s l a t i o np r o c e s sf r o m a l la b s t r a c td e s c r i p t i o no fa h a r d w a r ed e v i c ei n t oa n o p t i m i z e dt e c h n o l o g ys p e c i f i cg a t e l e v e l i m p l e m e n t a t i o n t h i s c o n v e r s i o n p r o c e s sm a yb e d o n em a n u a l l yv i a s c h e m a t i ce n 仃yt o o l s h o w e v e r ，a sd e v i c e sb e c o m em o r ec o m p l e x a n d t h e i rg a t ec o u n ti n c r e a s ei tb e c o m e sv e r yi m p r a c t i c a la n de r r o rp r o n et o c o n t i n u eu s i n gs u c ham a n u a lm e t h o d a l t e r n a t i v e l ys y n t h e s i sm a yb e a c h i e v e db yu s i n ge l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) t o o l st oc o n v e r ta h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( h d l ) i n t oa no p t i m i z e dg a t el e v e ld e s i g n t h eh d l p r o v i d e sat e c h n o l o g yi n d e p e n d e n td e s c r i p t i o no f t h et a r g e t e d d e v i c et h a tc a nb eb o t hs i m u l a t e da n d s y n t h e s i z e d t h ep r i n c i p a l a d v a n t a g eo fs y n t h e s i si s t h a ti ti s v e r ye a s yi t d e s c r i b ead e v i c ei na s o f t w a r em e d i u ma n dt h e nt or e l yo nas y n t h e s i st o o lt og e n e r a t et h e i n t e n d e dh a r d w a r e h o w e v e r , t h eh a r d w a r ed e s i g n e rm u s tb ev e r yc a r e f u l b e c a u s et h eh d lc o d i n gs t y l eh a sag r e a td e a lo fi n f l u e n c eo f f t h e a u t o m a t e d s y n t h e s i sa l g o r i t h m s b e s i d e sc o d i n gs t y l e t h e t a r g e t t e c h n o l o g y , t h ed e s i g nc o n s t r a i n t s ，a n dt h ee n v i r o n m e n t a la t t r i b u t e s a r e a l s o i m p o r tp a r t s t h a ti n f e c tt h er e s u l to fs y n t h e s i s d u r i n gt ot h e ! ：塑奎翌盔兰婴土兰垡堡壅! ! 坐! ! ! a n dt h ev a r i o u sh a r d w a r e d e s c r i p t i o n s a n d s y n t h e s i ss t y l e s ，m a n u a l i n t e r v e n u o ni sn e c e s s a r y v h d li sas t a n d a r dh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e v h d l s y n t h e s i st e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e s ey e a r s t h e r ea r et w o s y n t h e s i sm e t h o d si n c l u d i n g b e h a v i o rs y n t h e s i sa n dr e g i s t e rt r a n s f e rl e v e r ( r t l ) s y n t h e s i sd i r e c t b a s e do nh d l b u tt h e g a pb e t w e e ns o f t w a r e p r o g r a ma n d h a r d w a r ei m p l e m e n ti sn o tn a r r o w t h eb e h a v i o rd e s c r i p t i o n i st o oa b s t r a c ta n di ti sh a r dt ot r a n s f e rf r o mt h i s1 e v e lt oh a r d w a r ed e v i c e t h eb e h a v i o rs y n t h e s i st o o l st h a te x i ta l s oh a v el i m i t e dp o w e r i nr t l d e s c r i p t i o n ，u s e r s h a s p r o c e s s e ds e q u e n t i a ls c h e d u l i n g t h e d a t aa r e t r a n s f e r r e di nt h e s c h e d u l i n g t h ep a p e r r e s e a r c h e so nv h d lr t l s y n t h e s i s w e p r o v i d ead e s i g nf l o wu s i n gs y n t h e s i s s o m eo f t h ep r o c e s s e s a r e e x p a t i a t e di nd e t a i la c c o r d i n gt oo u rw o r k f i r s t l y , t h es t r u c t u r eo f v h d li s a n a l y s e d v h d li s ar i c hb u tab i tc o m p l e xl a n g u a g e i th a s m a n yt y p e s a n ds t r u c t u r e s w e e x p l a i n t h e i ra b s t r a c t m e a n i n g s a n d 。 a n a l y s i s t h e m o d e l i n gm e t h o d s o fv h d l s e c o n d l y , w ep r o v i d et h e p a r s i n go fv h d l p a r s i n gi st h ef i r s ts t e po fs y n t h e s i s ag o o dp a r s i n g t r e ea n d i d e n t i f yt a b l ew i l lh a v e a g r e a td e a lo f i n f u l e n c eo nt h ee f f i c i e n c y a n dm a i n t e n a n c eo f p a r s i n g v h d lh a s as h o r t c o m i n gt h a ti ti sa n a m b i g u o u sl a n g u a g ea n di t sg r a m m a r i sa m b i g u o u s p a p e ri n d i c a t e st h e s t r u c t u r e st h a tb r i n gt h ea m b i g u o u sa n dp r o v i d et h em o d i f i e dg r a m m a r ! ：塑窒望盔兰堡! ：兰竺笙塞垒! ! ! ! ! 竺 r u l e s t h ep a r s i n gt o o li sy a y i tc a np a r s e sl a l r ( 2 ) g r a m m a ra n di s m o r e p o w e r f u lt h a ny a c c ，w h i c h i sac o m m o n p a r s i n gt 0 0 1 t h i r d l y , w e p r o v i d e t h e s y n t h e s i sm e t h o d p a r s i n gp r o d u c e t h e p a r s i n g t r e ea n d i d e n t i f y t a b l e s s e m a n t i c a n a l y s i s i s p r o c e s s e d b a s e do n p a r s i n g a c c o r d i n g t ot h es e m a n t i c ，s y n t h e s i st o o lp r o d u c e sg a t el e v e ld e s c r i p t i o n s f o u r t h l y , s o m el a n g u a g e l e v e l o p t i m i z a t i o n m e t h o d sa r ec a r r i e do u t b e c a u s et h ep h i s i c a lt a r g e t e dd e v i c ew i l lb ec r e a t e d ，r e d u n d a n ts t a t e m e n t s w i l le n l a r g et h es y s t e ms c a l e t h el a n g u a g eo p t i m i z a t i o nw i l lb em o r e g l o b a l i ti sn e c e s s a r y t og i v es u c h o p t i m i z a t i o n m e t h o d s k e yw o r d s ：v h d l ，r t ls y n t h e s i s ，o p t i m i z a t i o n ，p a r s i n g ， a m b i g u o u sg r a m m a r l ：海交通大学硕1 1 学位论文第一章结论 第一章绪论 随着电子技术的发展，数字系统的设计j 下朝高速、大容量、小体积、短周 期的方向发展。推动该潮流的就是日益进步和完善的a s i c 设计技术。但随着 所设计系统的规模的扩大、复杂程度的增加，手工设计已经跟不上时代的发展。 人们对数字系统的需要必然促使设计方法的改进。电子设计自动化( e d a ) 技 术的出现是数字系统发展的必然结果。 e d a 工具主要是要求用形式化的方法来描述数字系统，也就是利用硬件描 述语言描述数字系统。对硬件语言的描述我们可以进行模拟和综合。因此，对 硬件描述语言及相关的模拟、综合技术的研究也是当今e d a 领域的一个重要课 题。 e d a 的出现是随着数字系统的发展而逐步发展起来的。数字系统的复杂度 与e d a 工具的水平也是逐步提高的。初期阶段，数字系统的设计是分阶段进行 的。在不同的阶段由掌管不同专业知识的技术人员使用相应的e d a 工具进行 设计，前一阶段的输出是后一阶段的输入。不同阶段的衔接需要人工的介入。 这一时期的e d a 工具多数只能适应某一阶段的工作，并且首先由抽象级别较低 的层次开始。最近几年的趋势是从级别较高的层次( 如行为级) 开始，对电路 做功能描述，自顶向下地完成整个设计。 在美国，6 0 年代到7 0 年代出现了第一代c a d 设备。其硬件以1 6 位小型 计算机为基础，软件功能主要是交互图形编辑和设计规则检查，成为集成电路 设计和版图设计的不可缺少的工具。8 0 年代出现了第二带c a d 系统，并且使 用3 2 位工作站为工作平台，全力以赴开发软件。第二代c a d 系统的功能主要 包括：原理图输入、模拟验证、逻辑综合、芯片布图和印刷板布图等。这一时 期的c a d 系统大都提供单元库的支持。由于单元库是经过精心设计和生产检 验的，因而能保证设计质量和提高设计效率。8 0 年代末到9 0 年代初出现的e d a 工具可以看作第三代。其主要特点是：设计工作可以从高层次开始，使用标准 话的硬件描述语言( 如v h d l ) 描述电路的行为特性，自顶向下地跨越各个层 次完成整个设计。 数字系统的自动化设计是层次式是设计，一个层次的输出是下一个层次的 海交通人学坝i ：学位论文第一章绪论 输入。下面是一个综合设计的流程图 图卜1 可综合设计流程 f i g 1 1 f l o wo fs y n t h e s i a b l ed e s i g n 每个层次有相应的工具。这也就是e d a 所涉及的主要领域： ( 1 ) 硬件描述语言 硬件描述语言是设计者和e d a 工具的界面，设计者通过硬件描述语言对 数字系统进行描述，e d a 工具根据硬件语言描述进行各种操作。硬件描述语言 是人们对数字系统抽象化、模型化和形式化的产物，用以描述设计者最关心的 最本质的特征。在不同的阶段，设计者关心的对象是不同的。 硬件描述语言可以对系统在不同的层次上进行描述，对于v h d l 语言来 说，一般可以分为行为描述，数据流描述，结构描述三种描述方式。其中，行 为描述描述的是所设计系统的功能，主要使用函数、过程和进程语句，以算法 形式描述数据的变换和传输。数据流方式，也称为寄存器传输级，主要使用并 行的信号赋值语句，既显式地表示了设计单元的行为，也隐式地表示了该设计 单元的结构。结构描述描述设计单元的结构，主要使用配髯语句和元件例化语 器寓 ! ：查銮塑盔堂堡! 兰篁堡壅笙二童堑堡一! 句捌i 述元什的类型和互连信息。 ( 2 1 模拟验证 所谓模拟验证就是对模型施加外部激励信号，通过观察其输出来判断该数 字系统是否复合要求。模拟技术式当前数字系统验证的主要手段，但也有其局 限的地方：模拟器的功能只能表示在那些施加激励信号情况下系统是符合要求 的，但加什么样的信号以及在其他信号下是否f 确则由设计者决定。 ( 3 1 综合技术 综合是将硬件描述语言的描述转换为门级描述的过程。本文将对此进行详 细讨论。 ( 4 ) 测试诊断 随着v l s i 工艺的进步，芯片内部元件的密度剧增，以致几乎没有空隙允 许探针插入。因此，外部激励信号只能从引脚引入，观察点只能从输出引脚引 出，这就增加了测试的难度，需要设法在外部激励信号的作用下，把故障驱赶 到输出端，以便能在输出引脚上观察到故障的存在。但并不是所有的故障都可 以用这种方法在输出端表现出来。用于故障测试和诊断的e d a 工具的主要任务 是；对于一个给定的数字系统，能自动生成一个最小的测试集，利用该集能最 大限度地检测出该系统内的故障并指出故障的位置或区域。 ( 5 ) 逻辑设计形式验证 由于层次化设计一般采用自顶向下的设计方法。在较高层次的设计完成之 后，都要经过检验，待证明正确之后才进入较低层次的设计，如用模拟进行验 证。但模拟技术存在缺陷，不能快速、完全地进行验证。形式验证不进行动作 模拟，而是用形式验证的方法验证逻辑设计的正确性。目前还处在发展阶段。 本文是对v h d lr t l 综合问题进行研究。对于在综合中遇到的一些问题进 行阐述。主要涉及的问题有： ( 1 )分析硬件描述语言v h d l 的语言结构。v h d l 是一种功能强大但 也比较复杂的语言。该部分给出该语言有哪些主要的语言结构，它们 的抽象含义，并分析其适合进行建摸的地方。 ( 2 )给出v h d l 的语法分析语法分析是综合的第一步如何给出一个 合适的语法树以及各种符号表，将影响到语法分析的效率和可维护性。 海交通犬学顺j ：学位论文第一市绪论 4 v h d l 有一个不足，它是有歧义的语言，它的文法是二义性的。文章 给出产生二义性的地方，给出修改文法的方法。进行语法分析中用到 的一个工具是y a y ，它比常用的y a c c 工具有更强大的功能。利用这 个功能文章给出文法规则及相应的解决方法。 ( 3 )给出综合的方法。语法分析给出语言描述的语法树及相应的符号 表，该过程是在其基础上进行语义分析，根据不同的语义，生成相应 的门级网表。 ( 4 ) 给出v h d l 语言级的一些优化方法。由于硬件描述最终生成的是物 理器件，冗余的结构将会增加系统的规模，对v h d l 语言描述的优化 可以在更大范围、更高层次上进行优化。所以在语言级上结合硬件描 述语言的特点，给出一个优化的方法也是很必要的。 ! 塑奎婆叁兰堡! ：兰垡堡苎笙三皇j 尘旦l 塑量型堂l 一一5 第二章v h d l 语言结构 2 1v h d l 语言特点 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接1 2 1 。除了含有许多 具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法都十分类似与一 般的计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计或者设计实体 ( 可以都是一个元件、一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称可视部分， 即端1 2 1 ) 和内部( 或称不可见部分) ，即设计实体的内部功能和算法完成部分。 在对一个设计实体定义了外部界面之后，一旦其内部开发完成后，其他的设计 就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分为内外部分的概念是v h d l 系统 设计的基本点。应用v h d l 进行工程设计的优点是多方面的，主要有： 1 与其他硬件描述语言相比，v h d l 具有更强大的行为描述能力，从而决 定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是逼 开具体的期间结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保 证。就目前流行的e d a 工具和v h d l 综合器而言，将基于抽象的行为描 述风格的v h d l 程序综合为具体的f p g a 和c p l d 等目标器件的网表文件 已不成问题，只是综合与优化效率上略有差异。 2 v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能检 查设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟，即在远离门级的 高层次上进行模拟，使设计者对整个工程设计的结构和功能的可行性进行 决策。 3 v h d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模的分解 和已有设计的再利用功能，符合市场需求的大规模系统高效、高速地完成 必须要由多人甚至多个开发组共同进行的工作才能实现的工作。v h d l 中 设计实体的概念、程序包的概念、设计库的概念为设计的分解和并行工作 提供了有力的支持。 4 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行立即综 合和优化，并自动地把v h d l 描述设计转变为门级网表。这种方式突破了 门级设计的瓶颈。极大地减少了电路设计的时间和可能发生的错误，降低 海交通人学颂i 学位论文 第一章v h d l 语占结构 了丌发成本。应用e d a 工具的逻辑优化功能，可以自动地把一个综合后 的设计变成一个更小、更高速的电路系统。反过来，设计者也可以容易地 从综合和优化后的电路获得设计信息，修改相应的v h d l 描述，使电路符 合设计者的要求。 5 由于v h d l 具有类属描述语句和予程序调刚等功能。对于已经完成的 设计，在不改变源程序的情况下，只需改变类属参量或函数，就能方便地 改变设计的规模和结构。 2 2 v h d l 和v e r i l o g 的比较 一般的硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述，其层次有高到低 依次可分行为级、r t l 级和门电路级。v h d l 语言通常更适于行为级和r t l 级的描述，v e r i l o g 通常只适于r t l 级和门电路级的描述。任何一种语言源程 序，最终都要转换成门电路级才能被布线器或适配器所接受。因此，v h d l 语言源程序的综合通常要经过行为级、r t l 级和门电路级的转化，而v e r i l o g 语言的源程序的综合过程就要简单一些，即经过r t l 级到门电路级的转化。 与v e r i l o g 相比，v h d l 语言是一种高级描述语言，适于电路高级建摸。随着 v h d l 综合器的进步，综合的效率和效果将越来月好。v e r i l o g 语言则是一种 较低级的描述语言，最适于描述门级电路，易于控制电路资源。显然，v h d l 和v e r i l o g 主要的区别在于逻辑表达的描述级别。v h d l 虽然也可以直接描述 门电路，但这方面的描述能力却不如v e r i l o g 语言；但v e r i l o g 语言在高级描 述方面不如v h d l 。v e r i l o g 语言的描述风格接近于电路原理图，从某种意义 上说，它是电路原理图的高级文本表示方式。v h d l 语言最适于描述电路的 行为，级描述电路的功能，然后由综合器根据功能要求来生成符合要求的电 路网络，v h d l 几乎不能直接控制门电路的生成。 2 3 v h d l 语言结构 一个完整的设计实体通常包括实体( e n t i t y ) 、构造体( a r c h i t e c t u r e ) 、配置 ( c o n f i g u r a t i o n ) 、包集合( p a c k a g e ) s 1 1 库( l i b r a r y ) 5 个部分。实体是用于描述所设 计的系统的外部接口信号：构造体用于描述系统内部的结构和行为；包集合存 放个设计模块共享的数据类型、常数、子程序等：配置用于从库中选取单元来 f 二海交通人学预l + 学位论文第二章v h d l 语占结构 7 组成系统设计的不同版本；库存放已经编译的实体、构造体、包集合和配置。 对于一种硬件描述语言来说，它的结构跟硬件结构或系统模型或设计思想有很 深的关系，理解语言结构与硬件结构的关系是重要的一步。下面对于v h d l 中 重要的几个体现v h d l 语言思想的结构进行一些介绍。 ( 1 ) 实体( e n t i t y ) ， 实体是描述系统与外界的接口二实体定义了端1 ：3 ( p o n s ) 和参数( g e n e t i c s ) ， 对参数的静态检查( 如值的范围检查) 和对端口的动态检查。就一个设计实体 而言，外界所能看到的是它的界面上的接口。实体可以有一个或多个结构体， 用于描述此实体的逻辑结构或逻辑功能。实体类似于实际硬件系统的一个部件 符号，它可以对应一个门电路、一个芯片、一块电路板甚至整个系统。实体是 一个完成某一定功能的单元。实体可以有不同层次，实体可以由更小的实体组 成。 实体的语句结构中有一个是类属说明语句。它为实体提供时间参数、总线 宽度等静态信息。类属与常数不同，常数只能在实体内部得到赋值，外界是不 能给予影响的，而类属的值可以由设计实体外部提供，实际者可以方便得通过 类属语句改变实体的涡性，使实体有更好的通用性。 ( 2 ) 结构体( a r c h i t e c t u r e l 结构体描述的是实体的实现。它描述实体的行为或结构或者两者的混合。 每个实体可以有多个结构体，每个结构体对应实体的不同实现方式。对于具有 多个结构体的实体，必须用配置语句( c o n f i g u r a t i o n ) 进行配置。即在综合后的 可映射于硬件电路的设计实体中，一个实体只对应一个结构体。 ( 3 ) 块语句结构( b l o c k ) 块语句结构实际上是对于结构体的划分。它是将结构体的并行描述语句进 行组合的方法，它的主要目的是改善并行语句及其结构的可读性。这种机制可 以使设计者合理地将一个模块划分为几个块，每个块完成一定的功能。任何在 结构体的说明部分进行说明的对象都可以在b l o c k 说明部分中进行说明。由于 b l o c k 语句对结构体的划分只是形式上的不是进行功能上的划分，所以使用b l o c k 结构不会影响原结构体的模拟结果。 ( 4 ) 进程( p l - o c e s s ) i ：海交通人学坝l 学位论文第一二章v h d l 语苦结构旦 进程是最具v h d l 语占特色的语句。p r o c e s s 语句结构包含了一个代表这设 计实体中部分逻辑行为的、独立的顺序语句描述的进程。进程语句结构本身是 作为并行语句，但进程语句结构单而的语句是按顺序执行的。虽然进程里面的 语句是按顺序执行的，但这是针对模拟来说的，这个过程与硬件结构中实现的 对应的逻辑行为是不同的。进程里面顺序语句在于描述硬件的一种功能，它采 用的是一种顺序的表达方式。该表达方式即可以描述时序逻辑也可以描述组合 逻辑。 进程语句有自己很强的特点： 1 进程之间是并行的，但进程内部语句是顺序的。这种结构设计可以说是 v h d l 的一个很大的优点。它可以很方便地为各种电路建摸。 2 进程是通过敏感信号或者是通过w a i t 语句来激发。但不能同时具有敏 感信号和w a i t 语句。而且对于综合后对应于进程的结构，对进程的所有 读入信号都是敏感的。 3 进程问通过传递信号和共享变量来实现，这使进程结构有了更大的功 能，使结构体中多个进程能同步运行，相互协调。 4 进程是v h d l 重要的建摸工具。进程的建摸将对综合结果有直接的影 响。 ( 5 ) 元件( c o m p o n e n t ) 元件的概念及其机制又是v h d l 一个很有特色的语言结构。在实际的系统 设计中我们经常要多次用到同种元件，利用元件我们只需要定义种模型， 然后通过实例化获得多个实例。其中各个实例可以有不同的配置。这是一个更 灵活的机制：实例化只是让系统知道有这样一个模型，但不必知道模型的具体 实现。而另外一种实例化方式，即直接绑定实体和结构体的方式，则需要具体 的实体和结构体的实现。对于元件来说，并没有具体的行为在里面，它实际上 体现的是一种机制，它使指定实体和结构体的工作往后移动，这对于自上而下 的设计方法来说是很有用处的。 使用元件需要三个操作：声明、实例化和配置。 1 声明。声明是通过元件声明语句声明元件的端口参数，它类似于实体的 声明。元件的声明和实体的声明并不一定相同，元件本身不是一个实际 0 i j 海交通_ 大学坝i 学位论文第一章v h d l 语占结构 的物理模型，而是一个观念上存在的模型，是一个类似插槽( s o c k e t ) 的概念。 2 实例化。实例化是将该元件嵌入某个系统之中。实例化的那些端口参数 对应于和元件相连的信号。这个时候，元件对应于哪个实体和结构体对 还是未知的。实际上，实体和结构体对在这个阶段可能还没有存在。 3 配置。配置是绑定实体和结构体对与元件实例。可以在配罱的时候进行 调整，使元件实例适应实体和结构体对，如端口和类属名字及其顺序。 元件的配置好比是在插槽上插上元件。 元件提供了一个很灵活的机制。它可以使选择实体和结构体对的工作推到 后面( 比如在综合之前) ；它也可以使系统方便地从不同的库中选择模型。 2 4 本章小结 本章分析了v h d l 语言的结构。分析其建摸的方法。通过对v h d l 语言结 构的理解我们可以更容易理解综合的方法。 ! ：塑窒塑叁堂堡! ! 兰垡堡兰笙三! ! 里! 堕鲨坌塑一竺 第三章v h d l 语法分析 3 1 语言开发工具 识别一个复杂的语言一般分为两个阶段：词法分析和语法分析。在词法分 析阶段识别的是比较低级固定的对象，如数、操作符及保留字等：而语法分析 阶段识别的是比较高级的对象，如程序语言的语句。在词法分析阶段，输入的 是一串字符，词法分析程序读入，根据规则识别出每一个对象单词( t o k e n ) ， 供语法分析用，单词也是语法分析的最小单位。而在语法分析阶段，根据单词 判断是否构成语言的句子或短语，比如是否是一条过程调用语句或是否是个表 达式。如果不是的话，还要报错，进行出错处理。语法分析程序也要根据一定 的规则进行判断，这些规则是根据语言的语法来制定的。 根据自动机理论和形式语言理论，已经有常用的词法和语法丌发工具；l e x 和y a c c 。其中l e x 是利用自动机理论中的正则表达式理论来实现词法的识别， y a c c 比较复杂一点，主要是根据形式语言理论中的上下文无关语言等理论来 自动实现语法的分析，它能识别l a l r ( 1 ) 文法。它们都有自己的文件输入格 式。我们使用的是f l e x 和y a y 。其中f l e x 是l i n u x 环境下的词法分析工具。 y a y 是自动生成识别l a l r ( 2 ) 文法的程序的工具，比y a c c 功能要强。 3 2 词法分析 词法分析是扫描源程序，按语言的词法规则识别出各类单词( t o k e n ) 并输 出相应的单词符号，同时进行的是词法检查。可以将词法分析程序单独作为一 遍来实现，输出单词符号串，保存在文件或内存中，作为语法分析的输入，或 者将词法分析和语法分析安排在同一遍中。此时。词法分析程序是语法分析程 序的一个子程序，该子程序有语法分析程序调用。当语法分析程序需要一个新 的符号时，就调用该子程序。该子程序每调用一次就从源程序字符串中读入一 个具有独立语法意义的单词。采用这种编译器结构，可以避免中间文件而且省 取取送单词符号的操作，提高编译器的效率。 大多数语言的词法规则是属于乔姆斯基3 型文法，即正则文法。通过正则 文法描述语言的表达式称为正则表达式。正则表达式的值即为一个语言。根据 海交通大学倾：学位论文第三章v h d l 语法分析 1l 自动机理沦，正则表达式与有穷自动机是等价的，即币则语言可以被某有穷自 动机识别。有穷自动机的形式定义为： 有穷自动机是一个5 元组( q ，6 ，q 0 ，f ) ，其中 1 ) q 是个有穷集合，叫做状态集。 2 ) 是个有穷状态集，叫做字母表。 3 ) 6 ：q - q 是转移函数。 4 ) q 0 e q 是起始状态。 5 ) f q 是接受状态集。 识别一个源程序是否合法的过程就是自动机从开始状态q 0 到接受状态集 的过程。 比如对于如下的一个状态机m ： 0 m = ( q ，6 ，q l ，f ) ，其中 1 ) q = q l ，q 2 ，q 3 ) ； 2 ) = 0 1 ) 3 ) 6 如下表 图3 1 有穷自动机 f i g 3 - 1f i n i t ea u t o m a t i o n 表3 1m 的转移函数 t a b l e 3 1f u n c t i o no fm 4 ) q l 是起始状态 5 ) f = q 2 ) l ：海交通人学顾i 学位论文第兰三章v h d l 语法分析 一1 2 设a 是机器m 接受的全部字符串集，称a 是机器m 的语言，记作l ( m ) = a 。或者说，m 识别a 或m 接受a 。上面的例子中，若令 a = w l w 至少含有一个1 并且在最后的l 后面有偶数个o ) 则l ( m ) = a ；或者说，m 彭 目| ja 。 同样，对于v h d l 语言，我们也要设计一个自动机，来识别v h d l 语言的 字符串。我们可以利用词法生成工具l e x 自动生成识别字符串的程序。 l e x 是产生词法分析程序的工具。l e x 有自己的输入格式，产生y y l e x 函 数，该函数 会被语法分析函数( 由y a y 生成) 调用。l e x 的输入文件格式为： f 定义部分 1 l e x 正则表达式和动作 用户白定义函数 l e x 源程序由三部分组成：第一部分是定义式，第三部分是识别规则及动 作。最后一部分是用户程序。各部分用隔开。 对于下面一个例子： f i n ty y li n e n o = l ： i n ty y c o l u m n o = o ： u p p e r c a s e l e t t e r a - z l o w e r c a s e l e t t e r a z d i g i t 0 - 9 s p e c i a l c h a r a c t e r # ( ) + ，一： 一 s p a c e c h a r a c t e r t ! ：塑窒塑叁堂堡! ：堂丝堡兰笙兰! ! 里! 堕鲨坌塑旦 h a s i c g r a p h i c c h a r a c t e r ( u p p e r c a s e l e t t e r l d i g i t i s p e c i a l c h a r a c t e r l s p a c e c h a r a c t e r ) l e t t e r ( u p p e r c a s e 一1e t t e r i l o w e r c a s e l e t t e r ) ) ( g r a p h i c c h a r a c t e r i ”i ) r e t u r n ( t _ c h a r a c t e r l i t ) f 门 y y l i n e n o + + ： y y c o l u m n o = o ： r e t u r n ( t _ n e w l i n e ) 上面的几个部分仅仅是必须的，其余部分都是可选的。其中最主要的是 中间的l e x 正则表达式和动作。第一个之前的“ ”和“ ，之间的部 分定义的是第三部分要使用到的一些函数和变量，第一部分中定义的词法，其 右边对应的是正则表达式；第二部分的各个处理动作中返回的标记( t o k e n ) 都 是在v h d l 的语法描述文件( 用于生成语法分析程序的y 文件) 中定义过的： 上面文件中的变量是f l e x 和y a y ( 或y a c c ) 中约定的全局变量，这些变量 的值可以在语法分析器中被引用。该文件是f l e x 的输入文件，经过处理之后， 生成一个c 文件，这个c 文件就是v h d l 词法检查器的源程序，其中主要是 一个y y l e x 的函数，该函数读入v h d l 源程序，识别出一个一个的单词，传递 给后面的语法分析器。 l e x 的功能就是根据l e x 的源程序构造一个词法分析程序。该分析程序的 作用就是一台有穷自动机。由l e x 所生成的彻底法分析程序由两部分组成即 一张状态转换图和一个控制执行程序。它的工作过程为： 1 ) 扫描每一条识别规则p i ，构造一个相应的不确定的有穷状态机m i ； 海交通人学硕i 学位论文第三章v h d l 语法分析旦 2 ) 将各有穷状态机m i 合并为一个新的不确定有穷状态机m ； 3 ) 将m 确定化，并生成该确定有穷状态机的状态转换矩阵和控制执行程 序。 l e x 所生成的词法分析程序在识别单词符号时，可能会遇到二义的情况。 如遇到字符串“b e g i n ”，程序可以认为是保留字或者是标识符；还有对于 “ = ”，可以看作 和= ，也可以看作赋值符号 b 均满足i a i i b l ：仅仅s - 例外，但s 不能出 现在任何产生式的右部。 2 ) g 的任何产生式为a b ，a v b ( v u ) + ； 3 ) g 的任何产生式为a e 口b 或a 一 口，其中口+ ，a ，b v 。 其中3 型文法称为右线形文法，它等价于正则表达式，所以也称为正则文 法由正则文法产生的语言叫做正则语言。如前面提到的词法分析器识别的就是 f 则语言。2 型文法也称上下文无关文法。它是比j 下则文法强得多的文法。 2 上下文无关文法 上下文无关文法是这样一种文法，它所定义的语法范畴是完全独立与这种 范畴可能出现的环境的。不会因为上下文环境的不同而改变其意义。这与自然 语言有很大的不同。 上下文无关文法( c f g ) 是一个4 元组( v ，r ，s ) ，其中