ภาษาการเขียนโปรแกรม Verilog

ภาษา Verilog

ภาพรวมของ Verilog

Verilog เป็นภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ (HDL) ที่ใช้ในการออกแบบ, จำลอง, และตรวจสอบระบบอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล โดยเฉพาะวงจรรวม (ICs) ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1980 Verilog ช่วยให้นักวิศวกรสามารถอธิบายพฤติกรรมและโครงสร้างของระบบอิเล็กทรอนิกส์ในระดับนามธรรมที่แตกต่างกัน ตั้งแต่ระดับอัลกอริธึมสูงไปจนถึงระดับเกต บทบาทหลักของมันคือการอำนวยความสะดวกในการจำลองและสังเคราะห์วงจรดิจิทัล ทำให้การออกแบบและตรวจสอบส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน เช่น CPU, FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) และ ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ

ด้านประวัติศาสตร์

Verilog เริ่มต้นในปี 1984 เป็นภาษาที่พัฒนาโดย Gateway Design Automation โดยมีวัตถุประสงค์เริ่มต้นเพื่อให้เครื่องมือในการสร้างแบบจำลองสำหรับระบบดิจิทัล ในปี 1990 ได้ถูกซื้อโดย Cadence Design Systems ซึ่งช่วยให้การนำภาษานี้ไปใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์แพร่หลายมากขึ้น

ในปี 1995 Verilog ได้รับการมาตรฐานเป็น IEEE 1364 ทำให้มันกลายเป็นมาตรฐาน HDL อย่างเป็นทางการ การมาตรฐานนี้มีส่วนสำคัญต่อความนิยมของ Verilog ทำให้สามารถแข่งขันกับ HDL อื่น ๆ โดยเฉพาะ VHDL ซึ่งได้รับความนิยมในปี 1980 ผ่านการใช้งานในด้านการทหารและการบินอวกาศ

ในปีถัดมา Verilog ได้พัฒนาเพื่อรวมโครงสร้างสำหรับวิธีการออกแบบสมัยใหม่ เช่น SystemVerilog ซึ่งเป็นการขยายที่รวมฟีเจอร์จากทั้ง Verilog และแนวทางการเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุ ปัจจุบัน SystemVerilog เป็นเครื่องมือทั้งสำหรับการตรวจสอบและการออกแบบ ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถของ Verilog

จนถึงปัจจุบัน Verilog และการขยายของมันยังคงเป็นภาษาพื้นฐานในอุตสาหกรรมการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ (EDA) โดยมีระบบนิเวศที่แข็งแกร่งของเครื่องมือที่จัดเตรียมโดยบริษัทใหญ่ ๆ เช่น Synopsys, Mentor Graphics และ Cadence

คุณสมบัติทางไวยากรณ์ของ Verilog

การประกาศโมดูล

บล็อกพื้นฐานใน Verilog คือโมดูล โมดูลประกอบด้วยอินพุต, เอาต์พุต และลอจิกภายใน

module my_adder(input a, input b, output sum);
    assign sum = a + b;
endmodule

บล็อกเชิงกระบวนการ

Verilog รองรับบล็อกเชิงกระบวนการ เช่น always และ initial ซึ่งอนุญาตให้มีลอจิกเชิงลำดับและการเริ่มต้น

always @(posedge clk) begin
    q <= d; // เมื่อเกิดขอบขาขึ้นของ clk ให้กำหนด d ให้กับ q
end

คำสั่งการกำหนดค่า

การกำหนดค่าต่อเนื่องสามารถทำได้โดยใช้คำสั่ง assign ซึ่งทำให้แน่ใจว่าเอาต์พุตสะท้อนการเปลี่ยนแปลงในอินพุตทันที

wire out;
assign out = a & b; // เกต AND

การสร้างแบบจำลองระดับเกต

Verilog อนุญาตให้มีการสร้างแบบจำลองโดยตรงโดยใช้พรีมิติฟในตัว เช่น AND, OR, และ NOT

and my_and(out, a, b); // สร้างเกต AND

Testbenches

Testbenches ถูกใช้ใน Verilog เพื่อจำลองและตรวจสอบฟังก์ชันการทำงานของการออกแบบ

module tb_my_adder;
    reg a, b;
    wire sum;

    my_adder dut (.a(a), .b(b), .sum(sum)); // สร้างการออกแบบ

    initial begin
        a = 0; b = 0; #10; // กำหนดอินพุตและรอ
        a = 1; #10;
        b = 1; #10;
    end
endmodule

คำสั่งเงื่อนไข

Verilog รองรับคำสั่งเงื่อนไข เช่น if, case สำหรับการตัดสินใจในบล็อกเชิงกระบวนการ

if (sel) begin
    out = a;
end else begin
    out = b;
end

ลูป

ลูปสามารถใช้ใน Verilog สำหรับการกำหนดค่าและการดำเนินการซ้ำ

for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
    // ดำเนินการ
end

พารามิเตอร์

Verilog อนุญาตให้มีโมดูลที่มีพารามิเตอร์ ทำให้การออกแบบสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ด้วยการกำหนดค่าที่แตกต่างกัน

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

งานและฟังก์ชัน

Verilog ให้ความสามารถในการกำหนดงานและฟังก์ชันสำหรับการออกแบบโค้ดแบบโมดูล

function [7:0] add(input [7:0] a, input [7:0] b);
    add = a + b;
endfunction

การกำหนดค่าแบบไม่บล็อก

การกำหนดค่าแบบไม่บล็อกโดยใช้ตัวดำเนินการ <= ช่วยให้การสร้างแบบจำลองการออกแบบซิงโครนัสทำได้ดีขึ้น

always @(posedge clk) begin
    q <= d; // กำหนดให้ดำเนินการในภายหลัง
end

เครื่องมือของนักพัฒนา, รันไทม์, และ IDE ที่นิยม

การพัฒนา Verilog ได้รับการสนับสนุนผ่านเครื่องมือและ IDE ที่หลากหลาย ซอฟต์แวร์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ModelSim, Synopsys VCS, และ Cadence Incisive ซึ่งให้ความสามารถในการจำลอง, สังเคราะห์, และดีบัก

การสร้างโปรเจกต์

ในการสร้างโปรเจกต์ Verilog คุณมักจะเขียนโค้ด Verilog ของคุณในไฟล์ .v จากนั้นคุณสามารถเรียกใช้เครื่องมือจำลองหรือสังเคราะห์จากบรรทัดคำสั่งหรือภายใน IDE ตัวอย่างคำสั่งการคอมไพล์อาจมีลักษณะดังนี้:

vcs my_design.v -o my_sim

หลังจากการคอมไพล์ คุณสามารถรันการจำลองด้วย:

./my_sim

การใช้งานของ Verilog

Verilog ถูกใช้เป็นหลักในการออกแบบและตรวจสอบวงจรดิจิทัล รวมถึง:

• การออกแบบ ASIC
• การออกแบบ FPGA
• การออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์
• ระบบประมวลผลสัญญาณดิจิทัล
• ระบบการสื่อสาร

ความสามารถในการสร้างแบบจำลองฮาร์ดแวร์ในระดับนามธรรมที่แตกต่างกันทำให้มันมีความหลากหลายสำหรับการใช้งานมากมายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

การเปรียบเทียบกับภาษาที่เกี่ยวข้องหรือคล้ายคลึงกัน

Verilog มักถูกเปรียบเทียบกับภาษาฮาร์ดแวร์ HDL อื่น ๆ เช่น VHDL แม้ว่าทั้งสองจะมีวัตถุประสงค์ที่คล้ายกัน แต่ Verilog มักถูกมองว่าง่ายต่อการเรียนรู้เนื่องจากไวยากรณ์ที่เรียบง่ายซึ่งคล้ายกับภาษาการเขียนโปรแกรม C VHDL จะถูกเลือกใช้สำหรับการออกแบบที่มีรายละเอียดมากขึ้นซึ่งต้องการการตรวจสอบประเภทที่เข้มงวดและมักถูกใช้ในงานของรัฐบาลและการบินอวกาศ

เมื่อเปรียบเทียบกับภาษาการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ เช่น C และ Java Verilog จะมุ่งเน้นไปที่โครงสร้างฮาร์ดแวร์และกระบวนการพร้อมกัน ในขณะที่ภาษาซอฟต์แวร์จะจัดการกับลอจิกเชิงลำดับและเชิงกระบวนการ Python สามารถใช้สำหรับการทดสอบระดับสูงและการประมวลผลข้อมูลการจำลอง แต่ไม่ให้วิธีการโดยตรงสำหรับการอธิบายฮาร์ดแวร์

เคล็ดลับการแปลจากแหล่งสู่แหล่ง

สำหรับผู้ที่ต้องการแปลการออกแบบ Verilog ไปยังรูปแบบ HDL อื่น ๆ มีเครื่องมือเช่น Calyx และซอฟต์แวร์โอเพนซอร์สอื่น ๆ ที่มีอยู่เพื่ออำนวยความสะดวกในกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม ลักษณะเฉพาะของ Verilog อาจทำให้การแปลโดยตรงเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากความแตกต่างในนามธรรมและเจตนาของแต่ละภาษา

เครื่องมือเช่น Verilator หรือ Yosys ได้รับการพัฒนาเพื่อช่วยในการแปลงโค้ด Verilog เป็นรูปแบบต่าง ๆ หรือเพิ่มประสิทธิภาพ และพวกเขามีความสามารถในการสังเคราะห์และจำลอง เครื่องมือเหล่านี้มีประโยชน์โดยเฉพาะในการรวมการออกแบบ Verilog เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มุ่งเน้นการไหล