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。 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。 VHDL和Verilog HDL兩者相比，VHDL的書寫規(guī)則比Verilog煩瑣一些，但verilog自由的語法也容易讓少數(shù)初學(xué)者出錯。 國外電子專業(yè)很多會在本科階段教授VHDL,在研究生階段教授verilog。從國內(nèi)來看，VHDL的參考書很多，便于查找資料，而Verilog HDL的參考書相對較少，這給學(xué)習(xí)Verilog HDL帶來一些困難。 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。

VHDL語言簡介：  

VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,誕生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美國國防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言 。自IEEE公布了VHDL的標(biāo)準(zhǔn)版本，IEEE-1076（簡稱87版)之后，各EDA公司相繼推出了自己的VHDL設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和VHDL接口。此后VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言。1993年，IEEE對VHDL進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展VHDL的內(nèi)容，公布了新版本的VHDL，即IEEE標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本，（簡稱93版）。現(xiàn)在，VHDL和Verilog作為IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語言。有專家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中，VHDL于Verilog語言將承擔(dān)起大部分的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)。

    VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計算機(jī)高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計，或稱設(shè)計實(shí)體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），既涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實(shí)體。這種將設(shè)計實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基本點(diǎn)。應(yīng)用VHDL進(jìn)行工程設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。
　

（1）與其他的硬件描述語言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。

（2）VHDL豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計早期就能查驗(yàn)設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設(shè)計進(jìn)行仿真模擬。

（3）VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效，

高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。（4）對于用VHDL完成的一個確定的設(shè)計，可以利用EDA工具進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把VHDL描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。

（5）VHDL對設(shè)計的描述具有相對獨(dú)立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計。

附：一個簡單的VHDL的例子：(12位寄存器）
--- VHDL Example
-- User-Defined Macrofunction

ENTITY reg12 IS
    PORT(
        d        : IN BIT_VECTOR(11 DOWNTO 0);
        clk        : IN BIT;
        q        : OUT BIT_VECTOR(11 DOWNTO 0));
END reg12;

ARCHITECTURE a OF reg12 IS
BEGIN
    PROCESS
    BEGIN
        WAIT UNTIL clk = '1';
        q <= d;
    END PROCESS;
END a;

VerilogHDL簡介

   任何新生事物的產(chǎn)生都有它的歷史沿革，早期的硬件描述語言是以一種高級語言為基礎(chǔ)，加上一些特殊的約定而產(chǎn)生的，目的是為了實(shí)現(xiàn)RTL級仿真，用以驗(yàn)證設(shè)計的正確性，而不必像在傳統(tǒng)的手工設(shè)計過程中那樣，必須等到完成樣機(jī)后才能進(jìn)行實(shí)測和調(diào)試。

    Verilog HDL就是在用用最廣泛的C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種件描述語言，它是由GDA(Gateway Design Automation)公司的PhilMoorby在1983年末首創(chuàng)的，最初只設(shè)計了一個仿真與驗(yàn)證工具，之后又陸續(xù)開發(fā)了相關(guān)的故障模擬與時序分析工具。1985年Moorby推出它的第三個商用仿真器Verilog-XL,獲得了巨大的成功，從而使得Verilog HDL迅速得到推廣應(yīng)用。1989年CADENCE公司收購了GDA公司，使得VerilogHDL成為了該公司的獨(dú)家專利。1990年CADENCE公司公開發(fā)表了Verilog HDL,并成立LVI組織以促進(jìn)Verilog HDL成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE Standard 1364-1995.

    Verilog HDL的最大特點(diǎn)就是易學(xué)易用，如果有C語言的編程經(jīng)驗(yàn)，可以在一個較短的時間內(nèi)很快的學(xué)習(xí)和掌握，因而可以把Verilog HDL內(nèi)容安排在與ASIC設(shè)計等相關(guān)課程內(nèi)部進(jìn)行講授，由于HDL語言本身是專門面向硬件與系統(tǒng)設(shè)計的，這樣的安排可以使學(xué)習(xí)者同時獲得設(shè)計實(shí)際電路的經(jīng)驗(yàn)。與之相比，VHDL的學(xué)習(xí)要困難一些。但Verilog HDL較自由的語法，也容易造成初學(xué)者犯一些錯誤，這一點(diǎn)要注意。

一個簡單的VerilogHDL的例子：(12位寄存器）
// Verilog Example
// User-Defined Macrofunction

module reg12 ( d, clk, q);

`define size 11

input [`size:0]d;
input clk;
output [`size:0]q;

reg [`size:0]q;

always @(posedge clk)
q = d;

endmodule

其他VDL語言簡介：

 ABEL-HDL

這是一種早期的硬件描述語言。在可編程邏輯器件的設(shè)計中，可方便準(zhǔn)確的描述所設(shè)計的電路邏輯功能。他支持邏輯電路的多種表達(dá)形式，其中包括邏輯方程，真值表和狀態(tài)圖。ABEL語言和Verilog語言同屬一種描述級別，但ABEL語言的特性受支持的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如 Verilog。 Verilog是從集成電路設(shè)計中發(fā)展而來，語言較為成熟，支持的EDA工具很多。而ABEL語言從早期可編程邏輯器件（PLD)的設(shè)計中發(fā)展而來。ABEL-HDL被廣泛用于各種可編程邏輯器件的邏輯功能設(shè)計，由于其語言描述的獨(dú)立性，因而適用于各種不同規(guī)模的可編程器的設(shè)計。如DOS版的ABEL3.0軟件可對包括GAL期間進(jìn)行全方位的邏輯描述和設(shè)計，而在諸如Lattice的ispEXPERT,DATAIO的Synario,Vantis的Design-Direct,Xilinx的FOUNDATION和WEBPACK等EDA軟件中，ABEL-HDL同樣可用于較大規(guī)模的FPGA/CPLD器件功能設(shè)計。ABEL-HDL還能對所設(shè)計的邏輯系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真。ABEL-HDL的設(shè)計也能通過標(biāo)準(zhǔn)格式設(shè)計轉(zhuǎn)換文件轉(zhuǎn)換成其他設(shè)計環(huán)境，如VHDL.Verilog-HDL等。從長遠(yuǎn)來看，VHDL和VerilogHDL的運(yùn)用會比ABEL-HDL多的多，ABEL-HDL只會在較小的范圍內(nèi)繼續(xù)存在

   AHDL

(Altera HHDL) 是ALTERA公司發(fā)明的HDL,特點(diǎn)是非常易學(xué)易用，學(xué)過高級語言的人可以在很短的時間（如幾周）內(nèi)掌握AHDL。它的缺點(diǎn)是移植性不好，通常只用于ALTERA自己的開發(fā)系統(tǒng)。

一個簡單的AHDL的例子（七段LED譯碼器）：

SUBDESIGN 7segment
(
    i[3..0]                     : INPUT;
    a, b, c, d, e, f, g    : OUTPUT;
)
BEGIN
    TABLE
        i[3..0]    =>     a, b, c, d, e, f, g;

        H"0"         =>    1, 1, 1, 1, 1, 1, 0;
        H"1"         =>    0, 1, 1, 0, 0, 0, 0;
        H"2"         =>    1, 1, 0, 1, 1, 0, 1;
        H"3"         =>    1, 1, 1, 1, 0, 0, 1;
        H"4"         =>    0, 1, 1, 0, 0, 1, 1;
        H"5"         =>    1, 0, 1, 1, 0, 1, 1;
        H"6"         =>    1, 0, 1, 1, 1, 1, 1;
        H"7"         =>    1, 1, 1, 0, 0, 0, 0;
        H"8"         =>    1, 1, 1, 1, 1, 1, 1;
        H"9"         =>    1, 1, 1, 1, 0, 1, 1;
        H"A"         =>    1, 1, 1, 0, 1, 1, 1;
        H"B"         =>    0, 0, 1, 1, 1, 1, 1;
        H"C"         =>    1, 0, 0, 1, 1, 1, 0;
        H"D"         =>    0, 1, 1, 1, 1, 0, 1;
        H"E"         =>    1, 0, 0, 1, 1, 1, 1;
        H"F"         =>    1, 0, 0, 0, 1, 1, 1;
    END TABLE;
END;

選擇VHDL還是verilog HDL？

這是一個初學(xué)者最常見的問題。其實(shí)兩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。 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?yàn)樵贗C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，兩種語言可以自由選擇。

學(xué)習(xí)HDL的幾點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)：“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(shí)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(diǎn)，需要我們多實(shí)踐，多思考，多總結(jié)。

3.語法掌握貴在精，不在多

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(yàn)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MAXPLUSII，F(xiàn)oundation，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。