数字电子技术基础（五十）——硬件描述语言简介

1 硬件描述语言简介

1.1 硬件描述语言简介

1.2 硬件编程语言的发展历史

1.3 两种硬件描述的比较

1.4 硬件描述语言的应用场景

1.5 基本程序结构

1.5.1 基本程序结构

1.5.2 基本语句和描述方法

1.5.3 仿真

1 硬件描述语言简介

1.1 硬件描述语言简介

硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL）是一种用于描述电子系统（尤其是数字电路）结构、行为和功能的专用编程语言。它允许工程师以文本形式对硬件（如集成电路、FPGA、ASIC等）进行建模、设计和验证，是电子设计自动化（EDA）流程的核心工具之一。

相较于传统的编程语言，例如C、Java等，硬件描述更加注重硬件之间的连接关系、时序运行以及并行操作等物理特性。主流的硬件描述语言包括Verilog HDL和VHDL，如下所示：

1.2 硬件编程语言的发展历史

上世纪1970s开始，随着电路的复杂度的提升，传统的手工绘图的方式开始变得低效，学术界开始研究文本硬件描述方法。1972年，美国南加州大学 D. D. Gajski开始研究AHDL（A Hardware Programing Lauguage），这是早期的数字电路描述语言。

目前主流的两种硬件描述语言均诞生在20世纪80年代，在上世纪80年代时，已经有上百种硬件描述语言，是硬件描述语言快速发展的时代。其中，Verilog HDL是由Gateway Design Automation公司开发的，后来被Cadence公司收购。VHDL是上世界80年代美国国防部资助开发的，作为ADA语言的一部分，用于规范文档和设计。VHDL和Verilog HDL分别在1985年和1997年成为IEEE标准。

2000年以后，衍生了更加高级的HDL，支持系统级验证和混合信号建立。

1.3 两种硬件描述的比较

Verilog HDL和VHDL之间都有相同点：

两种语言都支持层次化设计。
都支持并发执行，都是基于硬件的特点。
都支持行为级描述和结构级描述。
都支持相同的数据类型，并且都支持组合逻辑和时序逻辑。

除了相同点之外，Veriilog HDL和VHDL之间也存在不同点，对于Verilog HDL语言来说，相对于VHDL，优点为：

Verillog语言语法简洁，易于学习。
Verilog语言被广泛支持。
Verilog语言仿真速度快。
Verilog语言发展较快。

缺点为：

Verilog语言不适合大型复杂设计。
Verilog语言的类型系统较弱。
Verilog语言对低层次的描述较弱。

对于VHDL语言，其优势为：

VHDL的语法较为严谨。
VHDL适合用于大型设计。
VHDL标准化程度高。
VHDL对于低层次描述支持。
VHDL可以应用高可靠性系统。

而其劣势为：

VHDL语法复杂。
仿真速度通常很慢。

将上面内容进行总结得：

1.4 硬件描述语言的应用场景

硬件描述语言的应用十分广泛，涵盖范围如下所示：

下面对于各个方面基进行简答介绍。

（1）人工智能

人工智能是当下火热的研究内容，HDL可以显著提升了深度学习中的神经网络计算，特别是图像识别中的卷积运算。通过硬件并行性，HDL可以有效地处理大量的图像数据，减少计算资源的浪费。同时，随着物联网（IoT）的发展，边缘计算是相对热门的话题，FPGA在边缘计算中可以提供快速、高效的数据处理能力，减少数据传输到云端的需求，降低延迟和带宽消耗。

（2）智能驾驶

CAN（Controller Area Network）总线是一种广泛应用于汽车电子、工业控制、航空航天等领域的可靠串行通信协议。CAN协议的数据帧结构包括帧起始位、仲裁字段、控制字段、数据字段、校验字段等多个部分。VHDL可以通过行为级描述来实现对这些字段的解析和生成，同时利用其并行处理能力来处理多个字段的同步操作。VHDL的高抽象性和模块化设计使得CAN协议的实现具有很高的灵活性和可扩展性。设计者可以根据不同的应用场景和需求，对CAN协议进行定制和优化。

（3）通信领域

HDL在通信领域同样也有应用。例如，在基带信号处理方面，完成各种调制方式，如相移键控（PSK）、正交幅度调制（QAM）等。HDL可根据不同的通信标准和需求，灵活实现调制和解调算法，将数字信号转换为适合在信道中传输的模拟信号。在射频信号处理方面，在发射端将基带信号上变频到射频频段以便通过天线发射，在接收端，将射频信号下变频到基带频段进行后续处理。FPGA 可以生成各种频率的本振信号，并与基带信号进行混频，实现频谱搬移。

（4）集成电路（IC）设计

在 IC 设计的早期阶段，设计人员通常使用 HDL 进行行为级描述。这种描述方式侧重于对电路功能的抽象表达，而不涉及具体的硬件结构。在 IC 设计过程中，需要对设计的功能进行验证，确保其符合设计要求。HDL 可以用于搭建测试平台，生成激励信号并监测电路的输出响应。例如，对于一个设计好的存储器芯片，使用 HDL 编写测试平台可以模拟不同的读写操作，检查存储器的读写功能是否正常。

（5）数字信号处理

HDL在数字信号处理有很多应用。例如在滤波器的设计方面，如果想设计一个FIR（有限冲击响应）滤波器，可以通过HDL代码在FPGA中实现。HDL代码可以定义滤波器的系数存储、乘法累加运算等逻辑，从而实现对输入信号的滤波处理。在快速傅里叶变化的应用中，FFT是数字信号处理中的重要算法，用于将时域信号转换为频域信号。HDL可以在FPGA中实现FFT算法的硬件加速。通过编写HDL代码，可以定义蝶形运算单元、数据存储和调度等逻辑，实现高效的FFT运算。

（6）医疗领域

HDL在医疗领域也有较多的应用，例如在医疗成像领域，在 MRI、CT 等医学成像设备中，HDL 可用于设计图像重建算法模块。通过对采集到的大量原始数据进行快速处理和运算，利用 HDL 实现如反投影算法、迭代重建算法等，能够在短时间内重建出高质量的人体内部器官图像，为医生提供准确的诊断依据。在医疗监护领域，DL 可用于设计生理信号采集与处理模块。可以对心电、血压、血氧等多种生理信号进行实时采集、放大、滤波和模数转换等处理。

（7）航空航天

HDL在高性能、高可靠性和和复杂系统设计方面有很多应用。例如，在航空发动机系统设计中，基于模型的系统工程（MBSE）方法结合HDL工具，可以实现需求驱动的正向设计流程，快速搭建系统模型，并与多学科联合仿真验证程序融合。HDL工具通过内置的设计规则集合（包括DO-254等安全关键设计规则集），能够确保设计满足航空航天行业的严格标准。

（8）消费电子

消费电子是普通人接触较多的领域，HDL在消费电子也有很大的应用。例如，在显示驱动方面实现屏幕控制和显示优化，在智能手机、平板电脑、智能手表等各类显示屏设备中，HDL 可用于设计显示驱动芯片。它能精确控制屏幕的像素点发光，实现不同分辨率、刷新率和色彩模式的显示。在音视频处理方面对于高清视频的解码，在智能电视、机顶盒、蓝光播放器等设备中，HDL 可用于设计专用的视频解码芯片。

1.5 基本程序结构

1.5.1 基本程序结构

和其他编程类似，Verilog HDL也是采用模块化的结构，以模块化的形式来描述数字电路系统。模块（module）是Verilog HDL语言中描述电路的基本单元。模块的基本语法如下所示：

module<模块化>(<端口列表>)
<定义>
<模块条目>
endmodule

最基本的模块如下所示：

module module_name (
    input [width] input1,   // 输入端口
    input [width] input2,
    output [width] output1, // 输出端口
    output [width] output2
);
    // 模块内部逻辑
endmodule

上面的端口定义两个输入端口和两个输出端口。

1.5.2 基本语句和描述方法

对于组合逻辑来说，使用assign实现组合逻辑：

assign output = input1 & input2; // 逻辑与操作

组合逻辑是输出信号仅依赖于当前输入信号的逻辑。例如，设计一个简单的2输入与门：

module and_gate (
    input wire a,
    input wire b,
    output wire y
);
    assign y = a & b; // 组合逻辑
endmodule

而对于时序逻辑电路来说，使用always块实现时序逻辑，通常与clock信号结合。如下所示：

always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin
        reg_out <= 0;
    end else begin
        reg_out <= input;
    end
end

时序逻辑的输出不仅依赖于当前输入，还依赖于过去的输入。例如，设计一个D触发器：

module d_ff (
    input wire clk,   // 时钟信号
    input wire reset, // 异步复位信号
    input wire d,     // 数据输入
    output reg q      // 数据输出
);
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            q <= 0; // 异步复位
        end else begin
            q <= d; // 数据锁存
        end
    end
endmodule

生成结构是Verilog中一种强大的功能，允许在编译时根据参数条件创建或重复模块实例、寄存器、线网或其他Verilog元素。它主要用于创建可配置和可重用的设计。主要的生产结果包括generate-for循环、generate-if循环、generate-case循环：

例如generate-for循环：

generate
    if (WIDTH > 4) begin : wide_block
        // 当WIDTH>8时包含的代码
        reg [WIDTH-1:0] wide_reg;
    end
    else begin : narrow_block
        // 否则包含的代码
        reg [7:0] narrow_reg;
    end
endgenerate

Verilog中一种编译时循环结构，主要用于在硬件描述中创建重复的电路结构。