Verilog HDL與C語言的區(qū)別與聯(lián)系詳解
數(shù)字電路設(shè)計工程師一般都學(xué)習(xí)過編程語言、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、各種EDA軟件工具的使用。就編程語言而言，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)校都以C語言為標(biāo)準(zhǔn)，只有少部分學(xué)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(shè)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(shù)據(jù)文件中的多組待編碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的編碼后數(shù)據(jù)，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(chǎn)生隨機誤碼位(并把誤碼位個數(shù)控制在糾錯能力范圍內(nèi))，將其加入編碼后的數(shù)據(jù)文件中。運行該加干擾程序，產(chǎn)生帶誤碼位的編碼后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)文件。
比較原始數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)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(guān)，也不能獨立于計算機而存在。
如果要設(shè)計一個專門的電路來進行這種對速度有要求的實時數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)上保證算法能在規(guī)定的時間內(nèi)完成，并能與前端和后端的設(shè)備或器件正確無誤地交換數(shù)據(jù)。
用硬件描述語言(HDL)的程序設(shè)計硬件的好處在于易于理解、易于維護，調(diào)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(shè)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(jié)構(gòu)和芯片的工藝對運行速度有很大的影響。所以在電路結(jié)構(gòu)確定之前，必須經(jīng)過多次仿真。
C語言的功能仿真。
C語言的并行結(jié)構(gòu)仿真。
Verilog HDL的行為仿真。
Verilog HDL RTL級仿真。
綜合后門級結(jié)構(gòu)仿真。
布局布線后仿真。
電路實現(xiàn)驗證。
下面介紹用C語言配合Verilog HDL來設(shè)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(tǒng)任務(wù)直接與硬件仿真器(如Verilog-XL)結(jié)合使用。C語言是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的一種編程語言，因而C程序的設(shè)計環(huán)境比Verilog HDL更完整。此外，C語言可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，有可靠的編譯環(huán)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(yè)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(fā)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(jié)合Verilog對硬件描述的精確性，來更快、更好地設(shè)計出符合性能要求的硬件電路系統(tǒng)。
利用C語言完善的查錯和編譯環(huán)境，設(shè)計者可以先設(shè)計出一個功能正確的設(shè)計單元，以此作為設(shè)計比較的標(biāo)準(zhǔn)。然后，把C程序一段一段地改寫成用并型結(jié)構(gòu)(類似于Verilog)描述的C程序，此時還是在C的環(huán)境里，使用的依然是C語言。
如果運行結(jié)果都正確，就將C語言關(guān)鍵字用Verilog相應(yīng)的關(guān)鍵字替換，進入Verilog的環(huán)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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換中存在的問題
混合語言設(shè)計流程往往會在兩種語言的轉(zhuǎn)換中會遇到許多難題，如下所示。
怎樣把C程序轉(zhuǎn)換成類似Verilog結(jié)構(gòu)的C程序。
如何增加并行度，以保證用硬件實現(xiàn)時運行速度達到設(shè)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(shù)的循環(huán)等)。也能來表示算法(因為轉(zhuǎn)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(dāng)有限的，往往找不到相應(yīng)的關(guān)鍵字來替換)。
C程序是按行依次執(zhí)行的，屬于順序結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。這兩者之間有很大的沖突。另外，Verilog的仿真軟件也是順序執(zhí)行的，在時間關(guān)系上同實際的硬件是有差異的，可能會出現(xiàn)一些無法發(fā)現(xiàn)的問題。
C語言的函數(shù)調(diào)用與Verilog中模塊的調(diào)用也有區(qū)別。C程序調(diào)用函數(shù)是沒有延時特性的，一個函數(shù)是惟一確定的，對同一個函數(shù)的不同調(diào)用是一樣的。而Verilog中對模塊的不同調(diào)用是不同的，即使調(diào)用的是同一個模塊，必須用不同的名字來指定。
Verilog的語法規(guī)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(zhuǎn)換過程中會遇到一些困難。
C語言沒有時間關(guān)系，轉(zhuǎn)換后的Verilog程序必須要能做到?jīng)]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(zhuǎn)化為門級邏輯。
3.如何利用C語言來加快硬件的設(shè)計和查錯
如表1所示為常用的C語言與Verilog相對應(yīng)的關(guān)鍵字與控制結(jié)構(gòu)。
表1 C語言與Verilog相對應(yīng)的關(guān)鍵字與控制結(jié)構(gòu)表
|
C |
Verilog |
|
sub-function |
module、function、task |
|
if-then-else |
if-then-else |
|
case |
case |
|
{,} |
begin、end |
|
for |
for |
|
while |
while |
|
break |
disable |
|
define |
define |
|
int |
int |
|
printf |
monitor、display、strobe |
如表2所示為C語言與Verilog相對應(yīng)的運算符。
表2 C語言與Verilog對應(yīng)運算符表
|
C |
Verilog |
功 能 |
|
* |
* |
乘 |
|
/ |
/ |
除 |
|
+ |
+ |
加 |
|
- |
- |
減 |
|
% |
% |
取模 |
|
! |
! |
反邏輯 |
|
&& |
&& |
邏輯與 |
|
|| |
|| |
邏輯或 |
|
> |
> |
大于 |
|
< |
< |
小于 |
續(xù)表
|
C |
Verilog |
功 能 |
|
>= |
>= |
大于等于 |
|
<= |
<= |
小于等于 |
|
== |
== |
等于 |
|
!= |
!= |
不等于 |
|
～ |
～ |
位反相 |
|
& |
& |
按位邏輯與 |
|
| |
| |
按位邏輯或 |
|
^ |
^ |
按位邏輯異或 |
|
～^ |
～^ |
按位邏輯同或 |
|
>> |
>> |
右移 |
|
<< |
<< |
左移 |
|
?: |
?: |
相當(dāng)于if-else |
從上面的講解我們可以總結(jié)如下。
- C語言與Verilog硬件描述語言可以配合使用，輔助設(shè)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(zhuǎn)成Verilog的程序。
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