3.1 硬件描述语言简介

第3章硬件描述语言VerilogHDL本章概要本章介绍使用硬件描述语言VerilogHDL设计电路的编程方法，首先说明Verilog编程的基本框架结构，接着介绍Verilog的语言要素和基本语法规则，尤其是硬件描述语言中区别于其他高级语言的、能体现电路特色的语句，最后结合模块化程序设计的思想对FPGA设计常用的三种抽象级别不同、风格迥异的描述方式及运用方法进行了详细说明。硬件描述语言简介01Part1硬件描述语言简介1.1硬件描述语言的诞生硬件描述语言（HardwareDescribeLanguage，HDL）产生于20世纪80年代，顾名思义，它是一种用高级编程语言形式对电路硬件进行描述以生成或测试硬件电路的语言。硬件描述语言运用于电子设计领域，极大地促进了EDA的发展，对电路进行设计和验证的工作效率得到显著提高。1硬件描述语言简介1.1硬件描述语言的诞生硬件描述语言改变了电路设计的传统范式，可以在更高的抽象层次上描述电路的行为和结构。对于具有成千上万逻辑门的大规模逻辑电路，硬件描述语言允许设计师以接近自然语言的方式描述电路的逻辑行为，这种设计方式不仅更加精确和高效，而且易于修改和复用，能够更快速地迭代和优化设计。硬件描述语言还支持参数化设计，可以通过调整参数来快速生成不同的电路配置，极大地提高了设计的灵活性和可扩展性。这种高级别的抽象和自动化的设计流程，使得电路设计和验证变得更加快速和可靠。1硬件描述语言简介1.1硬件描述语言的诞生使用硬件描述语言设计，可以使设计和制造过程相对独立。芯片制造商可以根据市场的需求和自身的工艺优势，选择最合适的工艺技术来实现设计的电路，进一步促使芯片制造商有更大动力去研发更先进的工艺技术以提高芯片的竞争力。同时，为了满足硬件描述语言的编译、综合、布局布线的需求，以及功能和时序的验证等，开发出了一系列专业EDA工具，如Synopsys的综合工具，Cadence的布局布线工具，Mentor的仿真工具等。这些工具与硬件描述语言紧密结合，为设计师提供了便捷、高效的开发环境。1硬件描述语言简介1.2硬件描述语言的发展在40多年的发展过程中，硬件描述语言出现过上百种，有些是昙花一现，有些是近年来伴随着SOPC芯片的出现应运而生，比如SystemVerilog、SystemC等系统级语言。而长期保持主流、应用最为广泛的硬件描述语言有VHDL和VerilogHDL两种，他们被IEEE认定为标准语言。1硬件描述语言简介1.2硬件描述语言的发展VHDL是VeryHighSpeedHardwareDescriptionLanguage的缩写，意思是超高速硬件描述语言，由美国国防部于1982年推出。VHDL在1987年被IEEE认定为标准硬件描述语言，推出IEEE1076标准。后于1993年进行了修订，因此VHDL有87版和93版两个版本在使用中。1硬件描述语言简介1.2硬件描述语言的发展VerilogHDL是1983年由美国GDA（GatewayDesignAutomation）公司开发的硬件描述语言，适用于电子系统设计的所有阶段，支持硬件设计的开发、验证、综合和测试。VerilogHDL在1995年正式成为IEEE标准（1364-1995）。1硬件描述语言简介1.2硬件描述语言的发展VHDL程序一般由库（LIBRARY）、实体(ENTITY)、结构体(ARCHITECTURE)三部分组成。库用来声明需要使用的库和程序包实体用来描述电路器件的信号端口等外部情况结构体负责描述电路器件的内部逻辑功能VerilogHDL虽然也需要描述同样的内容，但是没有VHDL那么繁复的格式要求，风格更为灵活。1硬件描述语言简介1.2硬件描述语言的发展以半加器设计为例，两种硬件编程语言的代码比较。VHDL代码：libraryIEEE;//库useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;entityHalfAdderis//实体port(A:inSTD_LOGIC;B:inSTD_LOGIC;S:outSTD_LOGIC;C:outSTD_LOGIC);endHalfAdder;architectureBehavioralofHalfAdderis//结构体beginS<=AxorB;C<=AandB;endBehavioral;VerilogHDL代码：moduleHalfAdder(inputA,inputB,outputS,outputC);

assignS=A^B;assignC=A&B;endmodule1硬件描述语言简介1.2硬件描述语言的发展从硬件描述语言的共性来说，VHDL和VerilogHDL都可以实现门级、RTL级和行为级这三个层次上的电路描述，既能够抽象表示电路的行为，也能够具体描述电路的结构，都具有电路仿真与验证机