Verilog：硬件描述语言的综合指南

Verilog：硬件描述语言的综合指南

Verilog是一种硬件描述语言（HDL），用于定义和模拟数字电路的各个细节层次。它在现代电子设计自动化（EDA）领域中占据重要地位，广泛应用于网络交换机、微处理器和内存单元的设计。与传统的基于原理图的方法相比，Verilog提供了一种灵活的技术中性格式，支持行为、寄存器传输和门级等多个抽象层次，使得设计和调试过程更加简化。

1. 什么是Verilog？

Verilog是一种硬件描述语言（HDL），用于定义和模拟数字电路的各个细节层次。它在网络交换机、微处理器和内存单元中变得流行。与传统原理图不同，Verilog提供了一种灵活的、技术中性的格式，可以简化设计和调试过程。它支持多个抽象层次（行为、寄存器传输和门级），适用于不同阶段的硬件设计。

行为级

在行为级上，Verilog允许开发人员在不详细说明物理电路的情况下描述复杂的数字逻辑。这种抽象使用并发算法对系统行为进行建模，这些算法按编程顺序运行。它使用函数、任务和程序块等高级构造来定义系统功能。这个层次对于初始逻辑和定时验证很有用，提供了一种直观的方式来表达系统操作。

寄存器传输级（RTL）

寄存器传输级（RTL）着重于电路内寄存器之间的数据流和操作。Verilog在此级描述了数据如何通过寄存器移动，这些转移期间执行的操作以及输出如何受到输入的影响。Verilog中的RTL编码有助于将高级逻辑综合为物理硬件布局，从而对电路功能进行精确控制以及数据路径和时机的优化。

门级

门级描述提供了电路的详细视图，指定了每个逻辑门及其连接。这个层次详细介绍了最基本层次的逻辑操作和定时特征。Verilog中的门级编码通常是由合成工具自动生成的，主要用于合成后的模拟和验证。这样可以确保硬件实现遵守指定的逻辑并符合性能标准，尤其是在时间和功能可靠性方面。

门级建模的一个关键方面是驱动强度，这是门通过其输出端子驱动信号的能力。通过与电源直接连接，可以实现强大的驱动强度，从而使信号转换更快，并且在噪声环境中的性能更好。驱动强度较弱，这是由于电阻元件的连接而导致的，导致过渡较慢和噪声敏感性提高。

延迟是门级建模的另一个重要方面，代表了信号从输入到门输出所需的时间。这些延迟确保准确的时序分析并确保电路满足速度要求。在Verilog中，可以精确定义延迟，以解释信号的上升和下降时间。

图1：微控制器的Verilog代码

2. Verilog中的设计方法

Verilog使用模块化设计策略来简化复杂的电路设计，将其分解为可管理的功能子模块。有两种主要方法：自上而下和自下而上。

• 自上而下的方法

在自上而下的方法中，设计师从系统的完整视图开始，然后逐渐将其分解为详细的组件。这种方法支持结构化的设计流程，使过程更清晰、更易于管理，并促进对每个组件的功能和集成的彻底验证。

• 自下而上的方法

自下而上的方法始于最基本的层次，其中单个模块是单独设计和测试的。然后集成这些模块以形成更复杂的系统。这种方法促进了经过良好测试的组件的可重用性，并确保了鲁棒性，因为每个模块在集成之前都经过了独立验证，从而降低了通过较大系统层叠的错误风险。

模块通过在集成到较大的系统之前孤立地开发、测试和验证各个组件来简化设计过程。这种隔离降低了复杂性，并最大程度地减少了在系统中传播错误的风险。例如，设计师可以为算术逻辑单元（ALU）开发一个模块，彻底测试其功能，然后将其集成到微处理器设计中，而无需修改其内部结构。

模块化设计的重要优势之一是能够在不同项目中重用模块。创建模块后，它可以在任何需要其功能、节省时间并减少重新编码的错误的系统中实现。在大型项目中，这种重用尤其有益，在大型项目中，经常需要使用内存控制器或I/O接口等共同功能。

Verilog中的模块化设计还有助于管理将多个功能集成到单个芯片中的复杂性。设计师可以通过战略性地组合模块来组装复杂的系统，每个模块都负责系统整体功能的不同部分。这种方法简化了开发过程并增强了系统的可维护性和可扩展性。

3. 语言构造和语法

受C编程语言影响的Verilog的语法旨在易于具有软件开发背景的工程师。这种熟悉性有助于理解和有效地使用Verilog。Verilog的突出优势之一是支持并发。非阻塞操作可以在硬件模拟期间同时进行操作，以反映硬件系统的并行性质。语法包括增强代码可读性和维护的功能，例如Whitespace Management和注释。这些要素有助于创建更清洁、更容易理解的代码，从而促进长期项目管理和协作。

图2：语言构造和语法

Verilog对大小写敏感，在编码实践中保持一致性。它使用各种标识符和保留的关键字来清楚地定义硬件组件的结构和功能。Verilog提供了高级语法元素，以进行有效的代码管理。这包括精确的空格管理，以更好地可读性和调试，以及代码中的注释，以指导未来的修订。Verilog可以在不同的数字基数（二进制、十六进制、十进制和八进制）上处理数字表示。

4. 数据类型及其含义

Verilog的类型系统用于准确描述和建模数字电路。它提供了针对硬件设计和仿真中特定功能量身定制的各种内置数据类型。

电线

在Verilog中，“电线”用于连接不同的电路组件并在整个系统上发射信号。与传统编程中的变量不同，电线不存储数据。它们充当通道，用于在电路元件之间传输信号，从而定义了数据在电路中流动的路径。

寄存器

“寄存器”保留并维护不同周期的数据。它们的功能与软件编程中的变量相似，存储电路操作所需的计算值和状态。寄存器保留了跨多个操作周期的数据，使电路能够基于存储和当前输入执行顺序和组合逻辑。

图3：Verilog中的数据类型

Verilog还处理特殊值，例如“X”（未知）和“Z”（高阻抗），它们在特定情况下很有用：

• 'X'表示在尚未确定所有值时初始仿真阶段中未知状态。这有助于确定无法明确预测输出的非直接变量和潜在的设计问题。
• “Z”代表高阻抗状态，类似于断开的电线。它用于用三态缓冲器或任何可以有效断开自身与电路的组件建模电路，从而不会影响其他元素。

5. 低级电路描述

Verilog支持详细的低级电路描述，使设计师可以在晶体管级别进行建模和模拟数字电路。这包括定义MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）和CMOS（互补金属氧化物半导体）技术等基本组件的行为。Verilog为设计师提供了对每个电路元件的颗粒状控制。这种详细信息可确保电路操作的每个方面都可以准确地表示和预测。通过对单个晶体管进行建模，设计师可以微调电路性能和可靠性。这种精度可以优化复杂的设计，其中许多晶体管之间的相互作用会显著影响整体功能。模拟这些相互作用有助于在设计过程的早期确定潜在问题。例如，设计师可以在实施物理实现之前检测出诸如热量产生、功率低效率或信号完整性问题之类的潜在问题。

6. Verilog延迟

在Verilog中，处理延迟准确确保模拟反映了真实的硬件行为，尤其是在时间和对输入更改的响应方面。延迟会影响信号如何通过电路传播，从而影响组件的相互作用和功能。Verilog提供了指定和管理这些延迟的工具，使设计师可以准确地对信号旅行时间进行建模。

Verilog允许设计师在代码中明确定义延迟。该功能使设计师可以通过指定单个信号或整个逻辑块的传播延迟来微调模拟的时间。通过准确配置这些延迟，设计师可以预测和优化最终硬件的性能，从而确保它满足速度和可靠性要求。

Verilog的延迟管理功能可以在电路内建模复杂的数字交互，例如设置和触发器和其他时间敏感组件的时间。适当的延迟管理有助于避免常见的数字设计问题，例如竞争条件和故障，从而增强了电路的运行稳定性。

7. 逻辑合成

逻辑合成是Verilog设计中的一个过程，将高级HDL代码转换为详细的门级网表。这种转换使从软件仿真环境到有形硬件实现的过渡。合成是将抽象的Verilog描述变成功能硅芯片的桥梁。

合成过程将Verilog中描述的行为和功能规范转化为可以在芯片上物理实现的结构。这涉及将逻辑表达式和操作映射到门和电路的特定组合。有效的合成确保设计符合性能、区域和功率规格，同时遵守定时限制。

在合成过程中，采用各种优化技术来提高所得硅布局的效率。这些优化包括最大程度地减少所使用的门数，优化组件的放置以减少延迟和功耗，并确保电路遵守指定的时序要求。

8. 高级功能和自定义

Verilog支持高级自定义，允许设计在复杂的硬件方案中满足特定要求。这种自定义是通过用户定义的原始图（UDP）和与其他软件语言集成的接口，从而增强Verilog的多功能性。

用户定义的原始图使设计师创建自定义逻辑门和标准Verilog库中没有的其他低级结构。这些原语可以量身定制，以满足特定应用所需的精确性能特征，从而提供标准组件无法提供的控制。通过使用UDP，可以针对速度、功耗或其他特定于项目的指标优化设计。

Verilog与其他软件语言（如C++和Python）集成的接口可以在Verilog硬件描述和软件功能之间进行无缝交互。在硬件和软件需要紧密交互的情况下，这种互操作性特别有用，例如需要硬件加速或模拟和测试环境的系统。这些接口允许在软件模型中模拟Verilog代码，从而创建一个混合测试环境，从而加快开发并增加最终产品的鲁棒性。

9. 工具集成

Verilog与各种电子设计自动化（EDA）工具无缝集成，为设计、模拟和验证创造了健壮的环境。这种集成简化了开发周期，提高了生产率并确保最终产品的鲁棒性。

Verilog得到了一系列EDA工具的支持，这些工具涵盖了开发过程的每个阶段，从初始设计到最终测试。诸如合成器、布局优化器和逻辑模拟器之类的工具将Verilog代码转换为物理硅蓝图。这些工具优化了性能和区域的布局，确保设计在所有条件下的预期行为。

EDA工具为设计师提供了反馈循环，从而可以尽早识别和纠正潜在问题。这对于复杂电路特别有益，在该复杂电路中，手动分析将耗时且容易出错。在用于创建的同一框架内模拟和验证设计加速开发过程，并提高最终硬件的准确性和可靠性。

Verilog与EDA工具的集成支持各种层次的抽象，从高级行为模型到低级门模拟。这种灵活性使设计师可以为开发的每个阶段选择最合适的层次，有效地管理复杂的项目，适应不断变化的需求以及为特定应用程序优化设计。

10. 与VHDL的比较

Verilog和VHDL都是功能强大的硬件描述语言（HDL），由于其独特的句法风格和设计理念，在设计社区内提供不同的偏好和要求。

Verilog以其简单性和灵活性而闻名，使其在ASIC设计领域中流行。其类似C的语法可以更轻松地采用和更快的学习，这是快速开发和原型制作的理想选择。设计师喜欢Verilog的直接方法，从而加快了设计过程。

图4：VHDL和Verilog比较和对比

相反，VHDL具有更严格和更详细的语法。这使其适用于需要详细且明确的设计描述的应用，例如航空航天和军事行业。VHDL的强类型和广泛的数据类型提供了更高层次的抽象和对硬件行为的精确控制。

Verilog和VHDL之间的选择通常取决于特定于项目的需要和区域偏好。VHDL在欧洲以及与政府和国防合同有关的公司中更普遍。另一方面，Verilog主导了北美和亚洲部分地区的商业和快速原型设计领域。每种语言都具有独特的优势，可以影响项目的效率和结果，从而影响团队和个人设计师的决策过程。

11. 实际应用和历史背景

Verilog的开发和广泛采用源于其用户友好的设计和语法，这与C编程语言相似。这种可访问性使其对教育和数字电路设计方面的新手具有吸引力，从而简化了从理论到实际应用的过渡。因此，Verilog迅速成为电子设计自动化（EDA）的标准工具，该工具以其设计复杂电路及其对广泛用户的可访问性而闻名。

Verilog是在1980年代初开发的，目的是提高电路设计和测试的生产率。随着时间的推移，它已经适应了越来越多的半导体和系统设计的复杂性。它在设计微处理器、通信设备和消费电子产品中的广泛应用中可以明显看出它在促进创新中的作用，所有这些都需要高可靠性和性能优化。

随着Verilog的成熟，它不仅增强了其核心能力，而且扩大了与其他技术的互操作性。这种适应性加强了其作为EDA行业基础工具的地位。该语言的强大社区支持确保了它仍然相关，以应对循环设计方面的新挑战和技术创新。

12. 结论

Verilog的全面功能强调了其在塑造电子设计自动化领域中的作用。从受C编程语言影响的用户友好语法到其强大的模块化设计框架，Verilog促进了从高级抽象建模到精确的低级电路实现的无缝过渡。这种过渡得到了高级功能（例如用户定义的原始图和有效的工具集成）的支持，这些功能简化了设计过程并增强了最终产品的功能完整性。

随着Verilog的不断发展，它仍然处于技术进步的最前沿，适应新的挑战并扩大其功能，以满足半导体和系统设计日益复杂的复杂性。Verilog通过其实际应用和历史意义，不仅丰富了教育的追求，而且使专业人员能够在数字设计中实现出色的效率和可靠性，从而保持其作为技术不断发展的技术环境中的资产地位。