编程语言 Verilog

Verilog语言

Verilog概述

Verilog是一种硬件描述语言（HDL），用于设计、模拟和验证数字电子系统，特别是集成电路（IC）。Verilog于1980年代构思，允许工程师在不同的抽象层次上描述电子系统的行为和结构，从高层算法到门级。它的主要作用是促进数字逻辑电路的模拟和综合，使复杂硬件组件（如CPU、FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（特定应用集成电路））的高效设计和验证成为可能。

历史背景

Verilog于1984年作为Gateway Design Automation开发的专有语言诞生。其最初目的是为数字系统提供建模工具。1990年，它被Cadence Design Systems收购，从而促进了该语言在电子行业的广泛采用。

1995年，Verilog被标准化为IEEE 1364，标志着其成为官方HDL标准。这一标准化显著促进了Verilog的普及，使其能够与其他HDL（特别是VHDL）竞争，后者在1980年代通过在军事和航空航天应用中的使用而获得了显著地位。

在随后的几年中，Verilog不断发展，包含了现代设计方法的构造，如SystemVerilog，这是一个结合了Verilog和面向对象编程范式特性的扩展。现在，SystemVerilog既代表了验证工具，也代表了设计工具，进一步增强了Verilog的能力。

截至目前，Verilog及其扩展仍然是电子设计自动化（EDA）行业的基础语言，拥有由Synopsys、Mentor Graphics和Cadence等多家主要公司提供的强大工具生态系统。

Verilog的语法特性

模块声明

Verilog中的基本构建块是模块。模块包含输入、输出和内部逻辑。

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

过程块

Verilog支持过程块，如always和initial，允许进行顺序逻辑和初始化。

always @(posedge clk) begin
    q <= d; // 在clk的上升沿，将d赋值给q
end

赋值语句

可以使用assign语句进行连续赋值，确保输出立即反映输入的变化。

wire out;
assign out = a & b; // 与门

门级建模

Verilog允许使用内置原语（如AND、OR和NOT）进行直接建模。

and my_and(out, a, b); // 实例化一个与门

测试平台

测试平台用于在Verilog中模拟和验证设计的功能。

module tb_my_adder;
    reg a, b;
    wire sum;

    my_adder dut (.a(a), .b(b), .sum(sum)); // 实例化设计

    initial begin
        a = 0; b = 0; #10; // 应用输入并等待
        a = 1; #10;
        b = 1; #10;
    end
endmodule

条件语句

Verilog支持条件语句，如if和case，用于过程块中的决策。

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

循环

可以在Verilog中使用循环进行重复赋值和操作。

for (i = 0; i < 8; i = i + 1) begin
    // 执行操作
end

参数

Verilog允许参数化模块，使设计能够以不同配置进行重用。

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

任务和函数

Verilog提供定义任务和函数的能力，以实现模块化代码设计。

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

非阻塞赋值

使用<=运算符的非阻塞赋值允许更好地建模同步设计。

always @(posedge clk) begin
    q <= d; // 安排稍后执行
end

开发工具、运行时和流行的IDE

Verilog开发通过多种工具和IDE得以实现。常用的软件包括ModelSim、Synopsys VCS和Cadence Incisive，它们提供模拟、综合和调试功能。

构建项目

要构建Verilog项目，通常在.v文件中编写Verilog代码。然后可以从命令行或IDE中调用模拟器或综合工具。例如，编译命令可能如下所示：

vcs my_design.v -o my_sim

编译后，可以使用以下命令运行模拟：

./my_sim

Verilog的应用

Verilog主要用于数字电路的设计和验证，包括：

• ASIC设计
• FPGA设计
• 微处理器和微控制器设计
• 数字信号处理系统
• 通信系统

其在不同抽象层次上建模硬件的能力使其在电子行业的众多应用中具有多功能性。

与相关或类似语言的比较

Verilog常常与其他HDL语言（如VHDL）进行比较。虽然两者的目的相似，但由于其简化的语法与C编程语言相似，Verilog通常被认为更易于学习。VHDL更适合需要强类型检查的冗长设计，通常用于政府和航空航天应用。

与C和Java等软件编程语言相比，Verilog专注于硬件结构和并发过程，而软件语言则处理顺序和过程逻辑。Python可以用于高层次的测试和模拟数据处理，但不提供直接的硬件描述方法。

源到源翻译提示

对于希望将Verilog设计转换为其他HDL格式的人，存在Calyx等工具和其他开源软件来促进这一过程。然而，由于每种语言在抽象和意图上的固有差异，Verilog的特定特性可能使直接翻译变得具有挑战性。

像Verilator或Yosys这样的工具已被开发出来，以帮助将Verilog代码转换为各种格式或进行优化，并提供综合和模拟的能力。这些工具对于将Verilog设计集成到流式环境中特别有用。