數字電子技術基礎（五十）——硬件描述語言簡介

1 硬件描述語言簡介

1.1 硬件描述語言簡介

1.2 硬件編程語言的發展歷史

1.3 兩種硬件描述的比較

1.4 硬件描述語言的應用場景

1.5 基本程序結構

1.5.1 基本程序結構

1.5.2?基本語句和描述方法

1.5.3 仿真?

1 硬件描述語言簡介

1.1 硬件描述語言簡介

硬件描述語言（Hardware Description Language, HDL）是一種用于描述電子系統（尤其是數字電路）結構、行為和功能的專用編程語言。它允許工程師以文本形式對硬件（如集成電路、FPGA、ASIC等）進行建模、設計和驗證，是電子設計自動化（EDA）流程的核心工具之一。

相較于傳統的編程語言，例如C、Java等，硬件描述更加注重硬件之間的連接關系、時序運行以及并行操作等物理特性。主流的硬件描述語言包括Verilog HDL和VHDL，如下所示：

1.2 硬件編程語言的發展歷史

上世紀1970s開始，隨著電路的復雜度的提升，傳統的手工繪圖的方式開始變得低效，學術界開始研究文本硬件描述方法。1972年，美國南加州大學?D. D. Gajski開始研究AHDL（A Hardware Programing Lauguage），這是早期的數字電路描述語言。

目前主流的兩種硬件描述語言均誕生在20世紀80年代，在上世紀80年代時，已經有上百種硬件描述語言，是硬件描述語言快速發展的時代。其中，Verilog HDL是由Gateway Design Automation公司開發的，后來被Cadence公司收購。VHDL是上世界80年代美國國防部資助開發的，作為ADA語言的一部分，用于規范文檔和設計。VHDL和Verilog HDL分別在1985年和1997年成為IEEE標準。

2000年以后，衍生了更加高級的HDL，支持系統級驗證和混合信號建立。

1.3 兩種硬件描述的比較

Verilog HDL和VHDL之間都有相同點：

兩種語言都支持層次化設計。
都支持并發執行，都是基于硬件的特點。
都支持行為級描述和結構級描述。
都支持相同的數據類型，并且都支持組合邏輯和時序邏輯。

除了相同點之外，Veriilog HDL和VHDL之間也存在不同點，對于Verilog HDL語言來說，相對于VHDL，優點為：

Verillog語言語法簡潔，易于學習。
Verilog語言被廣泛支持。
Verilog語言仿真速度快。
Verilog語言發展較快。

缺點為：

Verilog語言不適合大型復雜設計。
Verilog語言的類型系統較弱。
Verilog語言對低層次的描述較弱。

對于VHDL語言，其優勢為：

VHDL的語法較為嚴謹。
VHDL適合用于大型設計。
VHDL標準化程度高。
VHDL對于低層次描述支持。
VHDL可以應用高可靠性系統。

而其劣勢為：

VHDL語法復雜。
仿真速度通常很慢。

將上面內容進行總結得：

1.4 硬件描述語言的應用場景

硬件描述語言的應用十分廣泛，涵蓋范圍如下所示：

下面對于各個方面基進行簡答介紹。

（1）人工智能

人工智能是當下火熱的研究內容，HDL可以顯著提升了深度學習中的神經網絡計算，特別是圖像識別中的卷積運算。通過硬件并行性，HDL可以有效地處理大量的圖像數據，減少計算資源的浪費。同時，隨著物聯網（IoT）的發展，邊緣計算是相對熱門的話題，FPGA在邊緣計算中可以提供快速、高效的數據處理能力，減少數據傳輸到云端的需求，降低延遲和帶寬消耗。

（2）智能駕駛

CAN（Controller Area Network）總線是一種廣泛應用于汽車電子、工業控制、航空航天等領域的可靠串行通信協議。CAN協議的數據幀結構包括幀起始位、仲裁字段、控制字段、數據字段、校驗字段等多個部分。VHDL可以通過行為級描述來實現對這些字段的解析和生成，同時利用其并行處理能力來處理多個字段的同步操作。VHDL的高抽象性和模塊化設計使得CAN協議的實現具有很高的靈活性和可擴展性。設計者可以根據不同的應用場景和需求，對CAN協議進行定制和優化。

（3）通信領域

HDL在通信領域同樣也有應用。例如，在基帶信號處理方面，完成各種調制方式，如相移鍵控（PSK）、正交幅度調制（QAM）等。HDL可根據不同的通信標準和需求，靈活實現調制和解調算法，將數字信號轉換為適合在信道中傳輸的模擬信號。在射頻信號處理方面，在發射端將基帶信號上變頻到射頻頻段以便通過天線發射，在接收端，將射頻信號下變頻到基帶頻段進行后續處理。FPGA 可以生成各種頻率的本振信號，并與基帶信號進行混頻，實現頻譜搬移。

（4）集成電路（IC）設計

在 IC 設計的早期階段，設計人員通常使用 HDL 進行行為級描述。這種描述方式側重于對電路功能的抽象表達，而不涉及具體的硬件結構。在 IC 設計過程中，需要對設計的功能進行驗證，確保其符合設計要求。HDL 可以用于搭建測試平臺，生成激勵信號并監測電路的輸出響應。例如，對于一個設計好的存儲器芯片，使用 HDL 編寫測試平臺可以模擬不同的讀寫操作，檢查存儲器的讀寫功能是否正常。

（5）數字信號處理

HDL在數字信號處理有很多應用。例如在濾波器的設計方面，如果想設計一個FIR（有限沖擊響應）濾波器，可以通過HDL代碼在FPGA中實現。HDL代碼可以定義濾波器的系數存儲、乘法累加運算等邏輯，從而實現對輸入信號的濾波處理。在快速傅里葉變化的應用中，FFT是數字信號處理中的重要算法，用于將時域信號轉換為頻域信號。HDL可以在FPGA中實現FFT算法的硬件加速。通過編寫HDL代碼，可以定義蝶形運算單元、數據存儲和調度等邏輯，實現高效的FFT運算。

（6）醫療領域

HDL在醫療領域也有較多的應用，例如在醫療成像領域，在 MRI、CT 等醫學成像設備中，HDL 可用于設計圖像重建算法模塊。通過對采集到的大量原始數據進行快速處理和運算，利用 HDL 實現如反投影算法、迭代重建算法等，能夠在短時間內重建出高質量的人體內部器官圖像，為醫生提供準確的診斷依據。在醫療監護領域，DL 可用于設計生理信號采集與處理模塊。可以對心電、血壓、血氧等多種生理信號進行實時采集、放大、濾波和模數轉換等處理。

（7）航空航天

HDL在高性能、高可靠性和和復雜系統設計方面有很多應用。例如，在航空發動機系統設計中，基于模型的系統工程（MBSE）方法結合HDL工具，可以實現需求驅動的正向設計流程，快速搭建系統模型，并與多學科聯合仿真驗證程序融合。HDL工具通過內置的設計規則集合（包括DO-254等安全關鍵設計規則集），能夠確保設計滿足航空航天行業的嚴格標準。

（8）消費電子

消費電子是普通人接觸較多的領域，HDL在消費電子也有很大的應用。例如，在顯示驅動方面實現屏幕控制和顯示優化，在智能手機、平板電腦、智能手表等各類顯示屏設備中，HDL 可用于設計顯示驅動芯片。它能精確控制屏幕的像素點發光，實現不同分辨率、刷新率和色彩模式的顯示。在音視頻處理方面對于高清視頻的解碼，在智能電視、機頂盒、藍光播放器等設備中，HDL 可用于設計專用的視頻解碼芯片。

1.5 基本程序結構

1.5.1 基本程序結構

和其他編程類似，Verilog HDL也是采用模塊化的結構，以模塊化的形式來描述數字電路系統。模塊（module）是Verilog HDL語言中描述電路的基本單元。模塊的基本語法如下所示：

module<模塊化>(<端口列表>)
<定義>
<模塊條目>
endmodule

??最基本的模塊如下所示：

module module_name (input [width] input1,   // 輸入端口input [width] input2,output [width] output1, // 輸出端口output [width] output2
);// 模塊內部邏輯
endmodule

上面的端口定義兩個輸入端口和兩個輸出端口。

1.5.2?基本語句和描述方法

對于組合邏輯來說，使用assign實現組合邏輯：

assign output = input1 & input2; // 邏輯與操作

組合邏輯是輸出信號僅依賴于當前輸入信號的邏輯。例如，設計一個簡單的2輸入與門：

module and_gate (input wire a,input wire b,output wire y
);assign y = a & b; // 組合邏輯
endmodule

而對于時序邏輯電路來說，使用always塊實現時序邏輯，通常與clock信號結合。如下所示：

always @(posedge clk) beginif (reset) beginreg_out <= 0;end else beginreg_out <= input;end
end

時序邏輯的輸出不僅依賴于當前輸入，還依賴于過去的輸入。例如，設計一個D觸發器：

module d_ff (input wire clk,   // 時鐘信號input wire reset, // 異步復位信號input wire d,     // 數據輸入output reg q      // 數據輸出
);always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) beginq <= 0; // 異步復位end else beginq <= d; // 數據鎖存endend
endmodule

?生成結構是Verilog中一種強大的功能，允許在編譯時根據參數條件創建或重復模塊實例、寄存器、線網或其他Verilog元素。它主要用于創建可配置和可重用的設計。主要的生產結果包括generate-for循環、generate-if循環、generate-case循環：

例如generate-for循環：

generateif (WIDTH > 4) begin : wide_block// 當WIDTH>8時包含的代碼reg [WIDTH-1:0] wide_reg;endelse begin : narrow_block// 否則包含的代碼reg [7:0] narrow_reg;end
endgenerate

Verilog中一種編譯時循環結構，主要用于在硬件描述中創建重復的電路結構。