VHDL語言 C語言

　　Verilog HDL是一種硬件描述語言（HDL:Hardware Description Language），以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為的語言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能。 Verilog HDL和VHDL是世界上最流行的兩種硬件描述語言，都是在20世紀80年代中期開發(fā)出來的。前者由Gateway Design Automation公司（該公司于1989年被Cadence公司收購）開發(fā)。兩種HDL均為IEEE標準。

　　Verilog的設(shè)計初衷是成為一種基本語法與C語言相近的硬件描述語言。這是因為C語言在Verilog設(shè)計之初，已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，C語言的許多語言要素已經(jīng)被許多人習(xí)慣。一種與C語言相似的硬件描述語言，可以讓電路設(shè)計人員更容易學(xué)習(xí)和接受。不過，Verilog與C語言還是存在許多差別。另外，作為一種與普通計算機編程語言不同的硬件描述語言，它還具有一些獨特的語言要素，例如向量形式的線網(wǎng)和寄存器、過程中的非阻塞賦值等?？偟膩碚f，具備C語言的設(shè)計人員將能夠很快掌握Verilog硬件描述語言。

　　C語言是一門通用計算機編程語言，應(yīng)用廣泛。C語言的設(shè)計目標是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器、產(chǎn)生少量的機器碼以及不需要任何運行環(huán)境支持便能運行的編程語言。盡管C語言提供了許多低級處理的功能，但仍然保持著良好跨平臺的特性，以一個標準規(guī)格寫出的C語言程序可在許多電腦平臺上進行編譯，甚至包含一些嵌入式處理器（單片機或稱MCU）以及超級電腦等作業(yè)平臺。二十世紀八十年代，為了避免各開發(fā)廠商用的C語言語法產(chǎn)生差異，由美國國家標準局為C語言制定了一套完整的國際標準語法，稱為ANSI C，作為C語言最初的標準。

　　特有特點C語言是一個有結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計、具有變量作用域（variable scope）以及遞歸功能的過程式語言。C語言傳遞參數(shù)均是以值傳遞（pass by value），另外也可以傳遞指針（a pointer passed by value）。不同的變量類型可以用結(jié)構(gòu)體（struct）組合在一起。只有32個保留字（reserved keywords），使變量、函數(shù)命名有更多彈性。部份的變量類型可以轉(zhuǎn)換，例如整型和字符型變量。通過指針（pointer），C語言可以容易的對存儲器進行低級控制。預(yù)編譯處理（preprocessor）讓C語言的編譯更具有彈性。

　　Verilog語言與C語言的區(qū)別

　　數(shù)字電路設(shè)計工程師一般都學(xué)習(xí)過編程語言、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、各種EDA軟件工具的使用。就編程語言而言，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)校都以C語言為標準，只有少部分學(xué)校使用Pascal 和Fortran。

　　算法的描述和驗證常用C語言來做。例如要設(shè)計Reed-Solomen編碼/解碼器，可以分為下面幾個步驟。

　　先深入了解Reed-Solomen編碼/解碼的算法。

　　編寫C語言的程序來驗證算法的正確性。

　　運行描述編碼器的C語言程序，把在數(shù)據(jù)文件中的多組待編碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的編碼后數(shù)據(jù)，并存入文件。

　　編寫一個加干擾用的C語言程序，用于模擬信道。它能產(chǎn)生隨機誤碼位（并把誤碼位個數(shù)控制在糾錯能力范圍內(nèi)），將其加入編碼后的數(shù)據(jù)文件中。運行該加干擾程序，產(chǎn)生帶誤碼位的編碼后的數(shù)據(jù)文件。

　　編寫一個解碼器的C語言程序，運行該程序把帶誤碼位的編碼文件解碼為另一個數(shù)據(jù)文件。

　　比較原始數(shù)據(jù)文件和生成的文件，便可知道編碼和解碼的程序是否正確（能否自動糾正糾錯能力范圍內(nèi)的錯碼位），用這種方法我們就可以來驗證算法的正確性。但這樣的數(shù)據(jù)處理其運行速度只與程序的大小和計算機的運行速度有關(guān)，也不能獨立于計算機而存在。

　　如果要設(shè)計一個專門的電路來進行這種對速度有要求的實時數(shù)據(jù)處理，除了以上介紹的C程序外，還需編寫硬件描述語言（如Verilog HDL或 VHDL）的程序。然后進行仿真以便從電路結(jié)構(gòu)上保證算法能在規(guī)定的時間內(nèi)完成，并能與前端和后端的 設(shè)備或器件正確無誤地交換數(shù)據(jù)。

　　用硬件描述語言（HDL）的程序設(shè)計硬件的好處在于易于理解、易于維護，調(diào)試電路速度快，有許多的易于掌握的仿真、綜合和布局布線工具，還可以用C語言配合HDL來做邏輯設(shè)計的前后仿真，驗證功能是否正確。

　　在算法硬件電路的研制過程中，計算電路的結(jié)構(gòu)和芯片的工藝對運行速度有很大的影響。所以在電路結(jié)構(gòu)確定之前，必須經(jīng)過多次仿真。

　　C語言的功能仿真。

　　C語言的并行結(jié)構(gòu)仿真。

　　Verilog HDL的行為仿真。

　　Verilog HDL RTL級仿真。

　　綜合后門級結(jié)構(gòu)仿真。

　　布局布線后仿真。

　　電路實現(xiàn)驗證。

　　下面介紹用C語言配合Verilog HDL來設(shè)計算法的硬件電路塊時考慮的三個主要問題：

　　1．為什么選擇C語言與Verilog 配合使用

　　首先，C語 言很靈活，查錯功能強，還可以通過PLI（編程語言接口）編寫自己的系統(tǒng)任務(wù)直接與硬件仿真器（如Verilog-XL）結(jié)合使用。C語言是目前世界上應(yīng) 用最為廣泛的一種編程語言，因而C程序的設(shè)計環(huán)境比Verilog HDL更完整。此外，C語言可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，有可靠的編譯環(huán)境，語法完備，缺陷較少。

　　比較起 來，Verilog 語言只是針對硬件描述的，在別處使用（如用于算法表達等）并不方便。而且Verilog的仿真、綜合、查錯工具等大部分軟件都是商業(yè)軟件，與C語言相比缺 乏長期大量的使用，可靠性較差，亦有很多缺陷。所以，只有在C語言的配合使用下，Verilog才能更好地發(fā)揮作用。

　　面對上述問題，最好的方法是C語言與Verilog語言相輔相成，互相配合使用。這就是既要利用C語言的完整性，又要結(jié)合Verilog對硬件描述的精確性，來更快、更好地設(shè)計出符合性能要求的硬件電路系統(tǒng)。

　　利用C語言完善的查錯和編譯環(huán)境，設(shè)計者可以先設(shè)計出一個功能正確的設(shè)計單元，以此作為設(shè)計比較的標準。然后，把C程序一段一段地改寫成用并型結(jié)構(gòu)（類似于Verilog）描述的C程序，此時還是在C的環(huán)境里，使用的依然是C語言。

　　如果運行結(jié)果都正確，就將C語言關(guān)鍵字用Verilog相應(yīng)的關(guān)鍵字替換，進入Verilog的環(huán)境。將測試輸入同時加到C與Verilog兩個單元，將其輸出做比較。這樣很容易發(fā)現(xiàn)問題的所在，更正后再做測試，直至正確無誤。

　　2．C語言與Verilog語言互相轉(zhuǎn)換中存在的問題

　　混合語言設(shè)計流程往往會在兩種語言的轉(zhuǎn)換中會遇到許多難題，如下所示。

　　怎樣把C程序轉(zhuǎn)換成類似Verilog結(jié)構(gòu)的C程序。

　　如何增加并行度，以保證用硬件實現(xiàn)時運行速度達到設(shè)計要求。

　　怎樣不使用C中較抽象的語法（例如迭代、指針、不確定次數(shù)的循環(huán)等）。也能來表示算法（因為轉(zhuǎn)換的目的是用可綜合的Verilog語句來代替C程序中的語句，而可用于綜合的Verilog語法是相當有限的，往往找不到相應(yīng)的關(guān)鍵字來替換）。

　　C程序是按行依次執(zhí)行的，屬于順序結(jié)構(gòu)。而Verilog描述的硬件是可以在同一時間同時運行的，屬于并行結(jié)構(gòu)。這兩者之間有很大的沖突。另外，Verilog的仿真軟件也是順序執(zhí)行的，在時間關(guān)系上同實際的硬件是有差異的，可能會出現(xiàn)一些無法發(fā)現(xiàn)的問題。

　　C語言的函數(shù)調(diào)用與Verilog中模塊的調(diào)用也有區(qū)別。C程序調(diào)用函數(shù)是沒有延時特性的，一個函數(shù)是惟一確定的，對同一個函數(shù)的不同調(diào)用是一樣的。而Verilog中對模塊的不同調(diào)用是不同的，即使調(diào)用的是同一個模塊，必須用不同的名字來指定。

　　Verilog的語法規(guī)則很死，限制很多，能用的判斷語句有限，仿真速度較慢，查錯功能差，錯誤信息不完整。仿真軟件通常也很昂貴，而且不一定可靠。C語言的花樣則很多，轉(zhuǎn)換過程中會遇到一些困難。

　　C語言沒有時間關(guān)系，轉(zhuǎn)換后的Verilog程序必須要能做到?jīng)]有任何外加的人工延時信號，否則將無法使用綜合工具把Verilog源代碼轉(zhuǎn)化為門級邏輯。

　　3．如何利用C語言來加快硬件的設(shè)計和查錯

　　如表3.11所示為常用的C語言與Verilog相對應(yīng)的關(guān)鍵字與控制結(jié)構(gòu)。

　　表3.11 C語言與Verilog相對應(yīng)的關(guān)鍵字與控制結(jié)構(gòu)表

　　如表3.12所示為C語言與Verilog相對應(yīng)的運算符。

　　表3.12 C語言與Verilog對應(yīng)運算符表

　　從上面的講解我們可以總結(jié)如下。

　　C語言與Verilog硬件描述語言可以配合使用，輔助設(shè)計硬件。

　　C語言與Verilog硬件描述語言很像，但要稍加限制。

　　C語言的程序很容易轉(zhuǎn)成Verilog的程序。