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字系統硬件的結構和行為的語言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數字邏輯系統所完成的邏輯功能。 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。兩種HDL均為IEEE標準。

　　Verilog的設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設計之初，已經在許多領域得到廣泛應用，C語言的許多語言要素已經被許多人習慣。一種與C語言相似的硬件描述語言，可以讓電路設計人員更容易學習和接受。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和寄存器、過程中的非阻塞賦值等。總的來說，具備C語言的設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，應用廣泛。C語言的設計目標是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器、產生少量的機器碼以及不需要任何運行環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平臺。二十世紀八十年代，為了避免各開發廠商用的C語言語法產生差異，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語言是一個有結構化程序設計、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構體（struct）組合在一起。只有32個保留字（reserved keywords），使變量、函數命名有更多彈性。部份的變量類型可以轉換，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語言的區別

　　數字電路設計工程師一般都學習過編程語言、數字邏輯基礎、各種EDA軟件工具的使用。就編程語言而言，國內外大多數學校都以C語言為標準，只有少部分學校使用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，把在數據文件中的多組待編碼的數據轉換為相應的編碼后數據，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。它能產生隨機誤碼位（并把誤碼位個數控制在糾錯能力范圍內），將其加入編碼后的數據文件中。運行該加干擾程序，產生帶誤碼位的編碼后的數據文件。

　　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據文件。

　　比較原始數據文件和生成的文件，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。但這樣的數據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，也不能獨立于計算機而存在。

　　如果要設計一個專門的電路來進行這種對速度有要求的實時數據處理，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構上保證算法能在規定的時間內完成，并能與前端和后端的 設備或器件正確無誤地交換數據。

　　用硬件描述語言（HDL）的程序設計硬件的好處在于易于理解、易于維護，調試電路速度快，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，計算電路的結構和芯片的工藝對運行速度有很大的影響。所以在電路結構確定之前，必須經過多次仿真。

　　C語言的功能仿真。

　　C語言的并行結構仿真。

　　Verilog HDL的行為仿真。

　　Verilog HDL RTL級仿真。

　　綜合后門級結構仿真。

　　布局布線后仿真。

　　電路實現驗證。

　　下面介紹用C語言配合Verilog HDL來設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）編寫自己的系統任務直接與硬件仿真器（如Verilog-XL）結合使用。C語言是目前世界上應 用最為廣泛的一種編程語言，因而C程序的設計環境比Verilog HDL更完整。此外，C語言可應用于許多領域，有可靠的編譯環境，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，又要結合Verilog對硬件描述的精確性，來更快、更好地設計出符合性能要求的硬件電路系統。

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

　　如果運行結果都正確，就將C語言關鍵字用Verilog相應的關鍵字替換，進入Verilog的環境。將測試輸入同時加到C與Verilog兩個單元，將其輸出做比較。這樣很容易發現問題的所在，更正后再做測試，直至正確無誤。

　　2．C語言與Verilog語言互相轉換中存在的問題

　　混合語言設計流程往往會在兩種語言的轉換中會遇到許多難題，如下所示。

　　怎樣把C程序轉換成類似Verilog結構的C程序。

　　如何增加并行度，以保證用硬件實現時運行速度達到設計要求。

　　怎樣不使用C中較抽象的語法（例如迭代、指針、不確定次數的循環等）。也能來表示算法（因為轉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，往往找不到相應的關鍵字來替換）。

　　C程序是按行依次執行的，屬于順序結構。而Verilog描述的硬件是可以在同一時間同時運行的，屬于并行結構。這兩者之間有很大的沖突。另外，Verilog的仿真軟件也是順序執行的，在時間關系上同實際的硬件是有差異的，可能會出現一些無法發現的問題。

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

　　Verilog的語法規則很死，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，轉換過程中會遇到一些困難。

　　C語言沒有時間關系，轉換后的Verilog程序必須要能做到沒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源代碼轉化為門級邏輯。

　　3．如何利用C語言來加快硬件的設計和查錯

　　如表3.11所示為常用的C語言與Verilog相對應的關鍵字與控制結構。

　　表3.11 C語言與Verilog相對應的關鍵字與控制結構表

　　如表3.12所示為C語言與Verilog相對應的運算符。

　　表3.12 C語言與Verilog對應運算符表

　　從上面的講解我們可以總結如下。

　　C語言與Verilog硬件描述語言可以配合使用，輔助設計硬件。

　　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成Verilog的程序。