Verilog — это язык описания аппаратуры (HDL), используемый для проектирования, моделирования и верификации цифровых электронных систем, особенно интегральных схем (ИС). Созданный в 1980-х годах, Verilog позволяет инженерам описывать поведение и структуру электронных систем на различных уровнях абстракции, от высокоуровневого алгоритма до уровня вентилей. Его основная роль заключается в упрощении моделирования и синтеза цифровых логических схем, что позволяет эффективно проектировать и проверять сложные аппаратные компоненты, такие как ЦП, ПЛИС (полевые программируемые вентильные матрицы) и ASIC (интегральные схемы специального назначения).
Verilog возник в 1984 году как собственный язык, разработанный компанией Gateway Design Automation. Его первоначальная цель заключалась в предоставлении инструмента моделирования для цифровых систем. В 1990 году он был приобретен компанией Cadence Design Systems, что способствовало более широкому распространению языка в электронике.
В 1995 году Verilog был стандартизирован как IEEE 1364, что сделало его официальным стандартом HDL. Эта стандартизация значительно способствовала популярности Verilog, позволив ему конкурировать с другими HDL, особенно VHDL, который приобрел известность в 1980-х годах благодаря своему использованию в военных и аэрокосмических приложениях.
В последующие годы Verilog развивался, включая конструкции для современных методологий проектирования, такие как SystemVerilog, расширение, которое включает в себя функции как Verilog, так и объектно-ориентированных парадигм программирования. В настоящее время SystemVerilog представляет собой как инструмент верификации, так и проектирования, что дополнительно расширяет возможности Verilog.
На сегодняшний день Verilog и его расширения продолжают оставаться основным языком в индустрии автоматизации проектирования электроники (EDA), с мощной экосистемой инструментов, предоставляемых различными крупными компаниями, такими как Synopsys, Mentor Graphics и Cadence.
Основным строительным блоком в Verilog является модуль. Модули содержат входы, выходы и внутреннюю логику.
module my_adder(input a, input b, output sum);
assign sum = a + b;
endmodule
Verilog поддерживает процедурные блоки, такие как always и initial, которые позволяют реализовывать последовательную логику и инициализацию.
always @(posedge clk) begin
q <= d; // На восходящем фронте clk присвоить d переменной q
end
Непрерывные присваивания могут быть выполнены с помощью оператора assign, который гарантирует, что выход немедленно отражает изменения на входах.
wire out;
assign out = a & b; // Логический И
Verilog позволяет прямое моделирование с использованием встроенных примитивов, таких как AND, OR и NOT.
and my_and(out, a, b); // Создает вентиль AND
Тестовые стенды используются в Verilog для моделирования и проверки функциональности дизайна.
module tb_my_adder;
reg a, b;
wire sum;
my_adder dut (.a(a), .b(b), .sum(sum)); // Создание экземпляра дизайна
initial begin
a = 0; b = 0; #10; // Применение входов и ожидание
a = 1; #10;
b = 1; #10;
end
endmodule
Verilog поддерживает условные операторы, такие как if, case для принятия решений в процедурных блоках.
if (sel) begin
out = a;
end else begin
out = b;
end
Циклы могут использоваться в Verilog для повторяющихся присваиваний и операций.
for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
// Выполнение операций
end
Verilog позволяет создавать параметризованные модули, что дает возможность повторного использования дизайнов с различными конфигурациями.
module my_multiplier #(parameter WIDTH = 8)(input [WIDTH-1:0] a, input [WIDTH-1:0] b, output [2*WIDTH-1:0] product);
assign product = a * b;
endmodule
Verilog предоставляет возможность определения задач и функций для модульного проектирования кода.
function [7:0] add(input [7:0] a, input [7:0] b);
add = a + b;
endfunction
Неблокирующие присваивания с использованием оператора <= позволяют лучше моделировать синхронные дизайны.
always @(posedge clk) begin
q <= d; // Запланировано на более позднее выполнение
end
Разработка на Verilog осуществляется с помощью различных инструментов и IDE. Обычно используемое программное обеспечение включает ModelSim, Synopsys VCS и Cadence Incisive, которые предоставляют возможности моделирования, синтеза и отладки.
Для создания проекта на Verilog вы обычно пишете свой код Verilog в файлах с расширением .v. Затем вы можете вызвать симулятор или инструмент синтеза из командной строки или внутри IDE. Например, команда компиляции может выглядеть так:
vcs my_design.v -o my_sim
После компиляции вы можете запустить симуляцию с помощью:
./my_sim
Verilog в основном используется для проектирования и верификации цифровых схем, включая:
Его способность моделировать аппаратное обеспечение на различных уровнях абстракции делает его универсальным для множества приложений в электронике.
Verilog часто сравнивают с другими языками HDL, такими как VHDL. Хотя оба языка служат схожим целям, Verilog обычно считается более простым для изучения благодаря упрощенному синтаксису, похожему на язык программирования C. VHDL предпочитают для более многословных дизайнов, которые требуют строгой типизации, и его часто используют в государственных и аэрокосмических приложениях.
По сравнению с языками программирования, такими как C и Java, Verilog сосредоточен на аппаратных структурах и параллельных процессах, в то время как языки программирования обрабатывают последовательную и процедурную логику. Python может использоваться для высокоуровневого тестирования и обработки данных симуляции, но не предоставляет прямого метода для описания аппаратуры.
Для тех, кто хочет перевести дизайны Verilog в другие форматы HDL, существуют инструменты, такие как Calyx и другое программное обеспечение с открытым исходным кодом, которые облегчают этот процесс. Однако специфические характеристики Verilog могут затруднить прямой перевод из-за присущих различий в абстракции и намерениях каждого языка.
Инструменты, такие как Verilator или Yosys, были разработаны для помощи в преобразовании кода Verilog в различные форматы или его оптимизации, и они предлагают возможности для синтеза и моделирования. Эти инструменты особенно полезны для интеграции дизайнов Verilog в ориентированные на потоковые среды.