（科学技术哲学专业论文）硬件描述语言的哲学分析.pdf

i 中 文 摘 要 硬件描述语言的缩写形式是 hdl。它是电子设计自动化技术的重要组成部分之 一。数字电路系统的设计者利用这种语言可以从上到下（从抽象到具体）逐层描述 自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极为复杂的数字系统。它兼具语言 和技术的双重特性，所以对它进行研究，既可以加深对人工语言的认识，扩展丰富 语言学的内容，又可以从哲学的高度来认识它的技术本质，为硬件描述语言的现状 及发展做一个合理的阐释和预测，为电路设计者提供有价值的参考意见。 虽然目前国内外研究自然语言和人工语言的文章很多，但大都是关于语言学和 计算机科学方面的，几乎没有涉及到电子电路系统方面的题材，故作者尝试对电子 学领域的新发展起来的人工语言硬件描述语言进行哲学层面的分析，还是比较 新颖的，希望可以对大家有所启示。 基于以上的考虑，本论文将对硬件描述语言的哲学分析分四个章节来展开，这 四章分别讨论了硬件描述语言的理论来源、思想特征、哲学意义和困境与建设，具 体内容如下： 第一章，硬件描述语言的理论来源：本章介绍了硬件描述语言产生的基础及发 展，让我们有个明确的认识，即作为一种人工语言，硬件描述语言只是自然语言发 展到一定阶段的产物，它只是一种补充而不是替代。 第二章，硬件描述语言的基本特征：本章分别从语言形态及语法、语义、语用 三方面对硬件描述语言进行分析，重点说明其与自然语言的不同之处，从而阐述它 是如何对自然语言进行补充的。 第三章，硬件描述语言的哲学意义：这也是本论文的重点。本章分别从本体论、 认识论、方法论角度对其进行了不同程度的剖析，指出硬件描述语言兼具了语言和 技术的本质，有很高的研究价值。 第四章，硬件描述语言的批判与建设：就其面临的困境和今后的发展做了适当 分析，给出相应的意见和建议。 关键词：关键词：自然语言；人工语言；硬件描述语言 iii abstract hardware description language (hdl) is one of the most important parts of the eda (electronic design automation) technology. by taking advantage of this language, designers of digital circuit system are able to describe their ideas from the up to down (or, from the abstract to the concreteness), and make use of a series of layer- by layer modules to indicate an extremely complicated digital system. it possesses a dual nature of language and technology. therefore, by conducting study into it, we could not only deepen our knowledge of artificial language, enrich and expand the content of linguistics, but also realize its technical nature from the height of philosophy, make a logical interpretation and prediction for the current situation and development of hdl, and provide valuable references and suggestions for circuit designers. though there are a great many articles of current study on natural and artificial languages at home and abroad, the majority of which are about linguistics and computer sciences, and is barely related to electronic circuit. so it is pretty novel of the author to try to make an analysis on the newly-developed artificial language in electronicshdl, in philosophical aspect. i hope that it would somewhat be enlightening to you. based on the above considerations, my thesis is developed in three chapters, and each one respectively discusses the theoretical origin, ideological characteristics, and philosophical significance of hdl, the concrete content are as following: i the theoretical origins of hardware description language: this chapter introduces the basis of its emergence and development, which help us make a clear understanding, i.e., as an artificial language, hdl is just the production of natural language that develops into a certain phase, so it is not replacement but rather complement. ii the ideological characteristics of hardware description language: this chapter analyzes hdl respectively from linguistic form and grammar、 iv semantics and pragmatics, stressing on its differences with those of natural language, and hence illustrate how it complements natural language. iii the philosophical significance of hardware description language: this chapter is also the emphasis of the thesis, mainly dissects from ontology、 epistemology and methodology in varied degrees, and points out that hdl possesses the nature of both language and technology, which is of high research value. the terminative part also makes a proper analysis on the predicaments it might face and its development in the future, and also provide the corresponding suggestions and recommendations. key words: natural language；artificial language；hardware description language 承诺书 38 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立完成的， 学位论文的知识产权属于山西大学。如果今后以其他单位名义发表与在 读期间学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的 文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的成果。 作者签名： 2011 年 5 月 日 学位论文使用授权说明 39 学位论文使用授权说明 本人完全了解山西大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位 论文。同意山西大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全 部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名： 导师签名： 2011 年 5 月 日 引 言 1 引 言 硬件描述语言（hardware description language，hdl）是时下电子设计领域 重要的工具之一。它兼具语言与技术的特点，是一种典型的人工语言，它用形式化 的方法来描述数字电路和系统。同时它又是一种典型的现代技术，它是硬件电路和 计算机沟通的纽带。 一、研究价值 硬件描述语言是现代微电子领域一个有效的仿真工具，它可以用语言描述替代 图形元件设计，把我们要实现的硬件电路功能、设计思想甚至是电路实体用程序语 言的形式写出来并传达给计算机，再由计算机进行综合分析和测试。作为一种语言， 无论在语形、语义还是语用上，硬件描述语言都既有一般人工语言的共性，又有自 己的特性，所以它的发展对于丰富语言学的内容有很重要的意义。作为一种现代技 术工具，对它进行哲学层面的分析可以使人们对它的认识更加深刻，让它向着更有 益于人类和社会发展的方向前进，同时，这样的分析对不太了解硬件开发以及电路 设计的科研人员也是有利的。所以研究硬件描述语言有很重要的语言学和电子电路 学意义。 目前研究人工语言的文章有很多，但是主要以机器语言、汇编语言以及高级语 言等计算机软件编程语言为主，探讨的大部分是人工智能的可能性与可行性，很少 有人对刚刚发展起来的硬件描述语言进行哲学研究，关注其在电路设计方面的应用。 所以本学位论文选这个方向来做也是比较新颖的。 二、研究现状 从技术层面来讲，电子设计自动化（electronic design automation，eda）技 术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的 eda 工具 问世。而作为 eda 技术的重要组成部分，硬件描述语言的发展也很迅猛，各大公司 不断推出界面更简洁、使用更方便、功能更强大的硬件描述语言。经过二十多年的 成长，硬件描述语言已成功地应用于建模、仿真、验证和综合等设计的各个阶段。 目前，硬件描述语言“自顶向下”的设计方法已被广泛采用。据资料统计，在 20 世 纪90年代美国硅谷约有80%以上的专用集成电路 （asic） 或现场可编程门阵列 （fpga） 是采用硬件描述语言进行设计的。 与国外相比，我国 eda 技术的开发和应用水平长期处于落后阶段，国内专业人 才紧缺，缺乏成熟的设计环境，eda 产业基础还相对较为薄弱，我们只有不断努力， 硬件描述语言的哲学分析 2 加大投入，全力发展，才有可能面对以后与垄断巨头进行竞争，脱离被淘汰的不利 局面。1998 年，我国国家技术监督局正式将“集成电路/硬件描述语言 verilog”列 入国家标准 ，国家标准编号为 gb/t183492001，从 2001 年 10 月 1 日起实施。相 信这一措施会对国内电子行业起到不小的作用。 从语言层面来讲，自然语言的诸多不足使得人工语言的发展越来越受关注，特 别是 20 世纪的语言学转向，吸引了许多哲学大家的目光，他们开始重新审视语言问 题。硬件描述语言产生于 20 世纪 80 年代，是一种“年轻”的人工语言，目前在国 内外从哲学角度对其进行分析的工作还处于一个相对空白的领域，有待广大学者进 行讨论和研究。 三、作者工作 本论文的主要工作是对硬件描述语言进行哲学分析，其中最关键的部分是分析 讨论硬件描述语言的基本特征、它的哲学意义及批判与建设。关于这三部分，本论 文先运用对比分析法，从语言形态、语义和语用等方面对硬件描述语言和自然语言 进行比较，说明其与自然语言的不同之处，找到硬件描述语言的特性，从而阐述它 是如何对自然语言进行补充的；然后又从本体论、方法论和认识论等角度阐释硬件 描述语言的哲学意义，指出硬件描述语言有很高的研究价值，第四部分还提出了硬 件描述语言面临的困境及作者的意见和建议。作者期望这一研究能使人们对硬件描 述语言的认识更加全面、更加深入，能对人工语言的理论有所补充，也能给人工智 能一些理论上的启示。 蒋敬旗，岚松松，刘明业：集成电路计算机硬件描述语言标准 verilog 的标准化工作中国标准化，2000(3) 第一章 硬件描述语言的理论来源 3 第一章 硬件描述语言的理论来源与发展 1.1 自然语言是硬件描述语言的基础 语言是人们日常生活中最重要的交际工具，在这里所说的自然语言，并不是各 个具体语言，而是人类的一般语言活动，这是为了区别于人工语言。 所谓自然语言，是指人类在长期的社会历史实践中形成的、在一定范围内使用 的各种民族语言。 1.1.1 自然语言的起源和发展 关于自然语言的起源问题，恩格斯在他的著作劳动在从猿到人的转变过程中 的作用中已经作了深刻的科学解释。他认为，在几十万年前，人类的祖先类人猿 由树上移居到地面，逐渐开始了直立行走，从而解放了前脚，慢慢进化成了手，这 是从猿到人转变的第一步。手可以从事更多简单劳作，抵御敌人、制作劳动工具， 同时也就产生了劳动，它们开始向人过渡，从而有了创造语言的可能和需要。劳动 使它们相互帮助和共同协作的场合变得越来越多，它们采用集体劳动的方式，共同 创造生产工具，共同改造自然并和自然进行斗争，这种共同的社会劳动需要某种东 西来协调，这样语言便应运而生了。语言是为了调协人与人之间的生产行为，由于 交际的迫切需要而产生出来的。 自然语言是一个动态的系统，其发展同科学的发展是同步的。自从原始人类在 劳动过程中创造了具有基本词汇和语法结构的语言之后，自然语言就不断地发展着。 这期间既有语言成分的演变，也有语言中新成分的产生和旧成分的消亡。以汉语为 例，从上古汉语到现代汉语，汉语的语音、语法、词汇都在发生了很大变化。语音 方面的入声收尾的消失大约发生在中古汉语到现代汉语之间，古代诗词中的通假字 也极其常见；而数位词“一双” 、 “一件” 、 “一匹” 、 “一只”之类的产生则是由上古 汉语到现代汉语的语法内部发展而来，连词和时态助词“着” “了”等在古汉语中也 是少之又少，但现代汉语中则数量庞大；古代汉语到现代汉语之间的词汇内部的发 展直接导致了复合词的大量出现，不仅如此，词汇方面的主要变化还有词汇的本意 和引申义的发展：比如“掩耳盗铃”本意是偷铃铛的人怕铃响，把自己耳朵堵住， 以为自己听不见，别人也听不见，引申义是比喻自己欺骗自己。 1.1.2 自然语言的研究现状 自然语言在人类历史进程中的作用是不容忽视的，无论是口头流传还是历史文 献记载，都是各民族文化的瑰宝。随着社会的发展和技术的进步，自然语言在社会 硬件描述语言的哲学分析 4 活动中的作用和地位已经越来越被人们所重视，特别是 20 世纪以后，语言学的研究 步入了一个崭新的时代，越来越多的学者致力于语言学方面的研究。 在对自然语言的贡献中，首先要提到的是瑞士语言学家费尔迪南德索绪尔 （ferdinand de sanssure，1857-1913） ，他既是现代结构主义语言学的奠基人，又 是一位杰出的历史比较语言学家。他生活的时代正值历史比较语言学的鼎盛时期， 历史比较语言学的语言变化理论使得历史比较法更趋科学和精密，曾一度成为欧洲 语言学的主流，索绪尔的论印欧语元音的原始系统就完成于那个时期，他将历 史比较语言学的方法论建立在一个高度概括的基础上，奠定了印欧语元音系统理论 的崭新基础，但却受到了德国语言学界的中伤。在语言学的探究上，他是孤独的， 他追求的是语言的基本形式，他的结构主义语言观也是在继承和批判历史比较语言 学的基础上建立起来的，这与当时以德国的布鲁格曼（k.brugmam） 、奥斯特霍夫 （h.osthoff） 、莱斯琴（a.leskien）等为代表的新语法学派所提倡的“原子论式” 的方法格格不入，所以他最终与其分道扬镳，走向了普通语言学的研究。他是一位 走在时代前面的人，虽然一生论著不多，但他的思想却超越了新语法学派的理论框 架，并很快成为一种新的潮流结构主义潮流的领袖人物。他的核心思想是要区 分语言（langue）和言语（parole） 、 共时语言学（linguistique synchronique） 和历时语言学（linguistique diachronique）以及内部语言学（linguistique interne）和外部语言学（linguistique externe） ，并指出语言是由符号和各个符 号之间的关系构成的，他说： “语言是一种表达观念的符号系统，因此，可以比之于 文字、聋哑人的字母、象征仪式、礼节形式、军用信号等等。它只是这些系统中最 重要的” 。索绪尔将对语言的研究与符号研究相联系，这无疑是语言学研究中重要 的一步。 继索绪尔之后，20 世纪 50 年代的语言学转向使得转换生成理论迅速崛起，并逐 渐取代结构主义成为语言学领域研究的主流。它在承继和发扬结构主义偏重语言形 式分析的传统的同时，又受到认知科学的影响，开始探索语言本质及其心理表征结 构这类抽象认知模式。转换生成语法的代表人物是乔姆斯基（noam.chomsky，1928 至今） ，他的思想和研究对 20 世纪的语言学影响最大。 “1957 年以后，语言学理 论的几乎全部进展，都是对乔姆斯基理论的重新认识或者补充，更不要说乔姆斯基 自己对他的理论所做的修改了” 。他指出，语言普遍现象是“遗传规定的属性”， 索绪尔： 普通语言学教程 ，商务印书馆 1996 年版，第 37 页。 罗宾斯： 简明语言学史 ，中国社会科学出版社 1997 年版，第 247 页。 chomsky，n，1980，rules and representations，columbia university press，696. 第一章 硬件描述语言的理论来源 5 而个别语法则是后天形成的。他的理论的研究对象是包括程序语言在内的一切语言， 受德国语言学家洪堡特（baron von wilhelmvon humboldt, 1767 -1835）的启发， 他也试图在语言研究中把“有限的手段无限运用” ，他用逻辑学家常用的形式分析和 逻辑演绎的方法，将句法理论形式化，使人们更加深刻地认识到了“生成性”和“生 成过程”在语言活动中的重要性。 1.1.3 自然语言的局限性 虽然自然语言也在不断发展，逐步走向统一，但随着研究的不断深入，其本身 的一些局限性和不足也随之暴露。首先是自然语言多歧义：比如“小李，刚才是张 总的电话”就有歧义，这句话既可以表示电话是张总打来的，也可以表示那个电话 是找张总的。这种不严密性在某些场合容易引起不必要的误会，特别是在一些精密 科学中，这样的不严密对于科学定理或者现象的解释是有害而无利的，这种情况普 遍存在于各种语言中而且不可避免。其次是自然语言语法结构复杂多变，逻辑关系 不明显：比如各民族语言中的俚语、口语、习惯用语之类，这类语言是人们在长期 的社会实践中约定俗成的，它们的构成大多会偏离现行语法规则，语法结构和逻辑 结构之间并不存在着必然的一致；最后是自然语言种类太多：且不说来自不同国家 的人们在交流时遇到的问题，单就同一国家不同地区之间的话语之间也不见得都能 听得懂。就中国内地来说，如果一个东北人只身到了南部沿海城市，他首先要做的 不是适应南方的气候而是听得懂闽南语。一个国家尚且如此，那么在国家之间的互 动中，语言经过重重翻译之后是否还能表达原来的意思，实在值得怀疑。 1.2 人工语言是自然语言的发展 人们从小就学习本族语言，并运用其来学习知识，与外界进行交流沟通，使用 方便，但是在信息时代，自然语言的种种缺点使得其已经不足以应对现在多元化的 社会，甚至在某些时候会阻碍各国之间各方面的交流与沟通，科学研究中，抽象的 概念比比皆是，而这些概念在日常生活中很难找到相应的表达词语，即使找到了， 也揭示不了其种种的内在联系，于是人们开始期待一种普遍适用的语言的到来。 1.2.1 人工语言的起源和发展 自然语言的种种缺点，对于有着丰富的逻辑学知识和逻辑敏感性的学者来说， 是不可容忍的。他们批判这些缺点并尝试着创造出一种比自然语言更先进、更科学 的人工语言。 所谓人工语言，简单来说就是一套人造的符号系统，其广义上指人类为了某种 硬件描述语言的哲学分析 6 特定目标而设计或编制的语言，比如人们为了交流思想和通讯需要而提出的世界语、 通讯编码等。狭义上指为了科学研究，对特定对象进行准确描述或精确处理而设计 的、并且得到同行认可的抽象符号系统或代码系统，比如各种汇编语言和高级语言。 人工语言是基于对自然语言的理解与分析，针对自然语言的某些漏洞而产生的， 所以人工语言在一定程度上弥补了自然语言的不足，具有单义性和高度的抽象性、 精确性、全民性等特点。 人工语言的发展大致经历了三个阶段： （1）数学语言 数学语言的产生可以追溯到上古时代，最古老的数学概念莫过于“数” ，因此， 最初的数学语言也必然是关于“数”的符号表示。 大约公元前 2800 年，苏美尔人创造了楔形文字，他们用两个方向不同的楔形文 字来表示数，由于当时符号少，他们采用了相同符号按照其在不同位置表示不同数 的方法，后称位值制。与此同时，他们把数字合起来表示相加，还创造了减法符号 和乘法符号，虽然这些符号还比较直观、笨拙，没有完全脱离具体事物，因此也不 能称其为人工语言，但已经初步具备了抽象性和单义性，所以古巴比伦人仍不失为 人工语言的先驱者。 同时期的古埃及用象形文字来表示数，但稍晚于古巴比伦；古希腊人于公元前 775 年左右将他们承袭古埃及的象形文字换成腓尼基人的拼音字母， 相应的数学符号 也做了更改，他们用字母表示数，按照读音的顺序表示数的大小，但古希腊人重几 何轻计算，记数并没有太大发展，就连给出了未知数和幂的表示的丢番都（大约 3 世纪人）的简字代数也只是昙花一现；而古代中国的筹算是摆放的，并没有相应的 符号。 真正使数学语言符号化的应该是印度人。他们最先制定了世界通用的记数方法， 成功迈出了用抽象符号解决实际问题的第一步。 公元 3 世纪以前，印度人已经开始了用字母标记数字，从 1 到 9 也有单独的符 号表示，但没有零的表示。零产生于何时至今还没有定论，但在公元 3 世纪，印度 人就已经承认零的存在，并不断尝试标记出它。到公元 6 世纪末，印度人开始使用 位值制，此时他们创造了现在通用的阿拉伯数字符号的雏形。经过漫长的演变，大 约在公元 8 世纪，印度数字传到了阿拉伯，再经由他们改进和推广，后来又传到了 欧洲，沿袭至今，就是我们现在的阿拉伯数字。 阿拉伯数字的完善使我们开始从理性的角度看世界，它是人类最伟大的发明之 第一章 硬件描述语言的理论来源 7 一，18 世纪数学家拉普拉斯对印度人这一发现胜赞道： “用十个记号来表示一切数， 每个记号不但有绝对值，而且有位置值，这种巧妙的方法出自印度。这是一个深远 而又重要的思想，它今天看来如此简单，以致我们忽视了它的真正伟绩。但恰恰是 它的简单性以及对一切计算都提供了极大的方便，才使我们的算术在一切有用的发 明中列在首位而当我们想到它竟逃过了古代最伟大的两位人物阿基米德和阿波罗尼 的天才思想的关注时，我们更感到这成就的伟大了” 。 如果说阿拉伯数字的创造使得人工语言在数学的产生成为可能，那么韦达 （f.vieta）就是使得人工语言在数学中产生变为事实的奠基人。 韦达，十六世纪法国数学家，他是数学史上第一个建议并系统地使用专门的字 母和计算符号来描述数和方程的系数以及对它们进行运算的数学家。他用元音字母 表示未知量，辅音字母表示已知量，并用字母表示一般的系数，使方程更具一般性， 并在此基础上展开字母演算。到此，数学中的元素和关系已经基本脱离了具体事物， 被抽象的符号语言所代替，人工语言已经基本在数学中建立起来。此后，数学这门 学科的发展明显加快。 人工语言首先在数学中开始应用不是偶然的。与其他学科相比，数学研究的是 现实世界中具有高度的抽象性的空间形式和数量关系，是一门元科学。数学要求严 格的推理过程和简明准确的描述形式，如果单靠自然语言，这些推理过程和描述形 式将会有多么冗繁，是可想而知的。因此，人工语言率先在数学中得到应用。 第二阶段：具体学科语言 人工语言的应用使得数学这门元科学率先摆脱了经验的束缚，上升到理论的高 度。其他学科也深受启发，着手创造适合自己学科发展的、以符号应用为特征的学 科语言。具体学科语言的逻辑结构同数学语言是一致的，但其符号形式及其指义各 有所别。 在数学的启发下，化学也引入了大量的人工语言。虽然早期的化学语言也是一 些简单直观的人工符号，包括图形、象形文字和缩写等形式，但由于缺乏约束力和 规范性，各种符号空前泛滥。直到 1860 年 9 月 3 日，第一届国际化学家代表大会在 德国卡尔斯鲁厄城的召开才结束了这漫长的符号演变局面。与会代表就建立统一的 化学符号体系达成一致意见。各种化学元素的符号化使得自然界中的各种物质得以 区分和归类，比如单质 h2、o2、n2等；化合物 h2o、co2、caco3等；化学物质的符号化 除了可以单一的描述该物质外，还可以看到该物质的组成与结构，比如，从硫酸的 t.丹齐克著，苏仲湘译： 数：科学的语言 ，商务印书馆 1985 年版，第 21、22 页。 硬件描述语言的哲学分析 8 化学式 h2so4可以看出一个硫酸分子包含 h、s、o 三种元素，并且它们的个数比为 2 14； 化学反应过程的表达在受了数学方程式的启发后也变得通俗易懂， 比如 naoh hclnaclh2o。有机化合物的结构式也都采用了人工语言的形式，例如乙醇（俗 名酒精）的化学式为 c2h5oh。各符号按照一定的规则排列组合起来，构成脱离了直观 的单一的物质，准确地描述和揭示了客观世界的逻辑关系。1892 年日内瓦会议制定 了有机化合物的日内瓦命名法及标记符号的基本原则，统一的化学符号体系从此建 立了。 化学物质的命名法也为其他学科元素的命名提供了一种很有价值的参考。 1919 年“国际纯粹与应用化学联合会” （iupac）成立，讨论化学符号、命名法和术语， 制定统一的国际标准颁布实行。经过 iupac 的努力，现代化学语言已经基本达到规 范化和标准化，超越了语种和国界，为化学的交流发展作出了很大贡献。 物理这门学科和数学有着很深的渊源，所以物理语言无论是文字式、符号式还 是图形式都秉承了数学语言的简洁性与精确性。例如，在电学中，著名的基尔霍夫 回路电压定律可以这样表达：ire。这个数学式的意义或文字描述是，任一闭 合回路的电动势的总和必定等于各段电阻上的电压降之和。由此可见，物理量就像 是自然语言的词汇，物理公式就像是自然语言的句子，每个物理量和公式都有确定 的意义，它们是语言文字的简记形式，是对语言表述的物理现象或概念的高度概括， 具有直观简明的特点。物理量的命名同化学元素的命名方式有所不同，物理学中对 物理量的命名通常有两种方式： （1）为表彰科学家在某一方面的突出贡献，将某一 物理量用科学家姓名的第一个字母来命名，比如力的单位牛顿（n） 、电流的单位安 培（a） 、电量的单位库伦（c） 、功率的单位瓦特（w） 、热力学温标的单位开尔文（k） 等； （2）多数物理量的符号采用的是其对应英文单位的第一个字母。这样的命名法 必然会导致物理量与其对应的符号之间的关系并不都是一一对应的，同一个字母或 符号，在不同的物理学科分支中会有不同的意义，在同一分支内也有可能会有不同 的意义，比如在物理学中，f 既可以表示摩擦力（frictional force） ，又可以表示 弹力（elastic force） ，而光学中 f 的意义却是焦距（focal distance） ，电学中 f 的意义是频率（frequency） 。英文单词 gravity 既指重力，也指万有引力，所以 g 既可以表示重力，又可以表示万有引力常量。即便如此，目前还没有因为符号的指 意不明而闹出笑话，用符号代替物理量仍然给物理学带来了极大的方便。 人工语言的符号化不仅在化学和物理学中取得了显著成就，逻辑学、经济学、 天文学、心理学等学科也相继出现了许多用符号来表示的术语或关系。人工语言已 经成为判断一门学科是否已经从经验走向理论的标准之一。 第一章 硬件描述语言的理论来源 9 第三阶段：数理语言 尽管具体学科语言已经符号化，但仍旧不能完全脱离自然语言的辅助，还不是 一个完全的人工语言系统。著名的数学家和哲学家莱布尼茨（gottfried wilhelm leibniz， 1646-1716）期待着能有一种科学的语言能有助于思想交流和思想本身， 今天我们把他所说的这种语言译为“普遍语言” （characteristica universalis） 。 “普遍语言”实质上是一套逻辑演算体系，一套可以消除语言的局限性和不规则性 的人工语言系统，这种语言每个人都能懂，全世界都通用。为此他也尝试性地提出 过一些方案，但在他有生之年这个设想并没有完成。 20 世纪分析哲学的崛起，使得自然语言和人工语言间的相互关系再次成为分析 哲学家和语言哲学家们研究的热点问题之一。 “弗雷格、罗素、前期维特根斯坦以及 逻辑实证主义者，一致认为日常语言是不精确、不完善的，他们试图借助于现代数 理逻辑，构造一种精确的、完善的、理想的形式语言或人工语言，由此形成所谓理 想语言学派或形式语言学派” 。 他们都对人工语言问题进行了有价值的分析和研究。 计算机发明的初衷是为了数值计算，但随着技术的发展以及人们的不断探索和 尝试，计算机简单而又独特的语言处理系统最终使得哲学家们的设想和尝试成为可 能。计算机的功用由最初的数值计算迅速过渡到非数值计算，成为新一代信息处理 器。计算机处理的是仅由“0”和“1”组成的字符串，即机器指令语言，再辅之以 包含语法结构和语义解释的符号系统，便可以使人与计算机进行简单的交流，实现 “人机对话” 。交流所凭借的新型的工具就是数理语言一种用数学的方法将程序 语言进行形式化处理的语言，也就是对语言进行数学建模。这一语言的最大特点就 是它是一个完整的人工语言系统，它的最终目标是成为与国籍、地域、年龄、种族 等因素无关的一般语言，而不是某一学科的专属语言。 1.2.2 人工语言的研究现状 人工语言对自然科学和社会科学的发展做出的贡献有目共睹，虽然总体上看是 在不断向前发展，但其发展速度并不统一。 一般来说，人工语言在具体学科语言中的发展并不是很快，因为只有新物质或 者新概念出现时才会涉及到将其符号化的问题，而新物质的发现、新概念的提出并 不以科学家个人意志为转移，而是需要不断地探索钻研，要以客观事实为依据。所 以，虽然人工语言在具体学科中的应用是最广泛最普遍的，但其发展却相对缓慢。 与具体学科语言的发展形成鲜明对比的是，数理语言的发展却是一派百家争鸣， 涂纪亮， 现代西方语言哲学比较研究 ，中国社会科学出版社 1996 年版，第 192 页。 硬件描述语言的哲学分析 10 百花齐放的壮观景象。数理语言的前身就是最初的计算机语言，从刚开始面向硬件 的机器语言和汇编语言，再到现在直接面向对象、面向过程的高级语言，历时也不 过七八十年，其发展速度之快、更新频率之高与日俱增。经过几十年的努力，数理 语言已经发展成为一个 “大家族” ， 目前被广泛使用的高级语言有过程性语言 basic、 pascal、cobol、以及 fortran 等；非过程性语言 sql；面向对象语言 c+、java 等。 形形色色的高级语言被应用在不同领域，给人类的生活带来了巨大变化，同时也推 动了计算机的普及和发展。 1.3 硬件描述语言是人工语言的典型代表之一 数学采用人工语言取得的惊人成就，使得其他学科深受启发。eda 作为 20 世纪 一门新兴的学科，当然也不甘落后，设计了符合本学科特点的硬件描述语言。作为 一种典型的人工语言，硬件描述语言在电子设计领域中有着不可或缺的作用。 1.3.1 eda技术的发展 eda 是电子设计自动化的缩写，是现代电子技术的核心。eda 技术是在 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计（cad） 、计算机辅助制（cam） 、计算机辅助测试（cat） 和计算机辅助工程（cae）的概念发展而来，以电子系统设计为应用方向，以 eda 软 件工具为开发环境，以计算机为工作平台，以硬件描述语言 hdl 为设计基础，以专 用集成电路 asic 和片上系统 soc 芯片为目标器件，以可编程器件 pld 为实验载体， 对电子产品进行自动化设计的过程。 以微电子技术和计算机科学的发展为先导， 20 世纪 90 年代 eda 技术迅速崛起并 成为一门综合性技术，它汇集了图论、拓扑逻辑学、数据库、计算数学、微电子工 艺与结构学和优化理论等学科的最新成果，可以成功应用到可编程集成器件设计自 动化、印制电路板设计自动化、电子系统设计自动化、半导体工艺设计自动化、系 统仿真设计及故障诊断测试自动化等领域，是一种高级、快捷、有效的电子设计自 动化工具。 eda 技术的出现， 使得电子电路设计者只需要利用硬件描述语言和 eda 软件平台 就可以完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了电路设计的效率和可靠性，缩短 了设计周期，节省了设计成本，同时也减轻了设计者的劳动强度。 在以信息产业为主导的知识经济时代，微电子集成电路的发展是信息领域的决 定性因素和先导力量。20 世纪 90 年代以来，微电子工艺有了惊人的发展，大容量的 可编程逻辑器件陆续面世，对电子设计工具提出了更高的要求，提供了更广阔的发 第一章 硬件描述语言的理论来源 11 展空间，世界各 eda 公司也致力于推出各种支持标准硬件描述语言和兼容各种硬件 实现方案的 eda 工具软件，eda 技术正逐步走向成熟。今天，eda 技术已经成为电子 设计的重要工具，它的出现及日益完善适应了当今时代的数字化发展浪潮，广泛应 用在现代数字系统设计中。 1.3.2 硬件描述语言的产生和发展 在信息技术高速发展这样的大环境下，硬件描述语言的出现也是必然的。一方 面，语言的功用的强大逐渐被人们所认识，那么将语言应用到数字电路系统也就不 再是天方夜谭，加之官方的大力支持，电路设计者们开始在这一领域争相探索。另 一方面，20 世纪以来，计算机和物理学的迅速发展使得人们的主观能动性得到了很 大发展，越来越注重生活品质的简约化和集成化，在此意义上，也对电子设计领域 中的设计理念和程序提出了更高的要求。于是硬件描述语言便应运而生了。 严格来说，布尔方程和逻辑图可以算是早期的硬件描述语言，他们以其直观简 单的特点广泛应用于描述和设计简单的电路。但是，微电子技术的不断发展使得数 字系统的复杂程度不断提高，处理较大的电路系统时人们需要的是抽象，而布尔方 程和逻辑图给出的只是细节，用布尔方程和逻辑图描述设计的复杂电路也变得晦涩 难懂。人们要想设计大规模的数字系统，就需要借助于计算机，而要想把自己的设 计理念通过计算机准确无误地表达出来就需要一种可以使硬件电路和计算机相互对 应的语言，也就是硬件描述语言。 上世纪 60 年代后，越来越多的设计者致力于优化和开发硬件描述语言，产生了 可以满足不同层次需求的硬件描述语言，其中具有代表性的几种语言的发展可用下 图来表示： 图 1.1 硬件描述语言的发展 硬件描述语言是一种用形式化的方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统的语 硬件描述语言的哲学分析 12 言。它可以使数字逻辑电路设计者利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用 eda 工具仿真，自动综合到门级电路，再利用 asic 或 fpga 实现其功能，是设计者和 eda 工具之间的桥梁。目前这种称之为“高层设计（high level design） ”的方法已 被广泛使用。 第二章 硬件描述语言的基本特征 13 第二章 硬件描述语言的基本特征 硬件描述语言实质是数学语言与逻辑语言的形式化，它用专门的符号来代替自 然语言的词汇，表达设计者的思维及推理过程，正如鲍亨斯基所说： “它完全撇开符 号的本身意义，而根据某些只涉及符号书面形态的转换规则来进行符号操作” 。 硬件描述语言将整个硬件电路抽象为设计实体，并将其分解为一个个子系统、 甚至一个个逻辑门。每个实体都有其外部属性和内部属性。外部属性是各个子系统 之间的联系，内部属性是各个子系统自己的结构和功能。 2.1 形态及结构方面 语言是一种符号系统，具有客观存在性。要想准确理解和把握硬件描述语言的 思想特征，首先要清楚它本身是一个怎样的存在物，它的内部结构有什么特点，与 自然语言有何不同。为此，我们做如下分析。 2.1.1 语言系统的形态差异 自然语言的产生和使用受地域限制，都有着浓厚的本土文化，不同语种之间往 往有不小的差别，语言形态各异，比如中国的汉字、欧美国家的字母等等从发音到 书写都有很大的区别。但作为“术业有专攻”的人工语言，其构造的第一步就是给 出初始符号，这些符号在人工语言中的作用就相当于自然语言中的字母，其形态必 将在同一领域内是相对统一、得到大家认可的。任何一种程序设计语言都有自己的 一套严格的符号组成规则。程序就是用这些符号按照语法规则写成的。在程序中使 用的符号如果超出规定的范围或不按语法规则书写，都视为非法，计算机不识别。 现行的通用的程序语言大多采用字母和符号形式，虽然在不同领域同一字符或者字 符串意义大不相同，但就其形态而言，却是统一的。作为一种面向硬件电路和计算 机的人工语言，硬件描述语言有着自己的独特的文字规则和特点。 硬件描述语言默认的文字类型包括数字型文字、字符串文字、关键词、标识符、 下标名和段名，并且全部由字母和一些特殊符号组成。现将硬件描述语言与其他语 言类型作个比较，如下表所示： 鲍亨斯基： 当代思维方法 ，上海人民出版社 1987 年，第 40 页。 硬件描述语言的哲学分析 14 表 2.1 几种语言符号的形态差异 表中以“与” 、 “或” 、 “非”三个逻辑连接词为例，将不同的语言符号系统进行 粗略对比，我们可以看出，硬件描述语言的形态类型大致可分为两类，一类是用来 描述过程的逻辑操作符，有了它，设计者可以忽略电路的结构，直接对电路进行形 式化分析；另一类是用来描述结构的门类型关键词，这类型符号具有高度的抽象性， 可以在忽略电路中输入输出的过程分析的情况下，对电路中各元器件的连接关系进 行准确描述。这也是硬件描述语言不同于其他人工语言之处。 2.1.2 句法结构差异 句法的结构都有逻辑的基础。句子是逻辑判断的语言体现或表达，它是以逻辑 判断的结构为基础的 。自然语言的句法结构，指的是每个语言单元组成词组或句子 时所依据的结构方式， “它既要有语音的形式作为它的物质外壳，又要有意义关系作 为它的内容” 。在自然语言中，句法结构的一般原则是直接组成成分和间接组成成 分的组合，而且还有词性和句型的划分，大都很灵活。比如 “他曾经是我的数学老 师”这个句子是一个陈述句，主语部分由代词“他”担任， “他”和谓语部分“曾经 是我的数学老师”就是该句的两个直接组成成分，如果直接成分本身也是一种结构， 那么它的组成成分对这一结构来说就是间接成分，就拿例句来说， “他”和“曾经是 我的数学老师”是例句的两个直接组成成分，其中谓语部分也是一种结构，那么“曾 经是”和“我的数学老师”就是该句的间接成分。 “他”和“我的数学老师” 是一 高名凯： 语言论 ，商务印书馆 1995 年版，第 319 页。 高名凯： 语言论 ，商务印书馆 1995 年版，第 318 页。 汉语 数理逻辑 hdl 的逻辑操作符门级逻辑图形 hdl 的门类型关键词 与 （合取） else mb; ” 语句的执行结果要依 a 和 b 的大小而定，如果 ab，则 m 的值为 a，否则 m 的值就 为 b。而在赋值语句中“input a, b; output m; assign ma; ”不管 a 和 b 大小如何，m 的结果输出恒为 a。在电路设计中，设计者关注的是语句本身能否 准确描述硬件电路实际情况，仿真结果只是在该电路连接下产生的一个附属品，是 判断电路是否符合设计者初衷的标准之一。而对计算机而言，语句和结果本身都只 是一串字符而已，不具有任何实质意义。只有在设计者思想的指导下，程序语句和 输出结果才能共同协作完成描述硬件电路的任务。由此可以看出，设计者意义是在 语句意义的基础上再加上执行环境意义，这也就是硬件描述语言的交际意义。 冉永平： 语用学现象与分析 ，北京大学出版社 2006 年版，第 16 页。 硬件描述语言的哲学分析 20 2.3.2 表达思维 “思维”指的是一种用特殊的方式组织起来的物质的特性，也就是人脑的机能， 这种机能的实质就在于它可以间接地或概括地反映客观世界。思维也可以指这种机 能的活动及其规律。在人与人的交往中，用自然语言来表达思维并不是件难事。人 们从小就开始学习本民族的语言，可以准确理解和应用自然语言，并借助它来认识 世界、学习其他科学知识，生动鲜明的表达自己们的思维，不过这些活动的前