Verilog HDL基礎(chǔ)之：與C語(yǔ)言的區(qū)別與聯(lián)系（獨(dú)家）

數(shù)字電路設(shè)計(jì)工程師一般都學(xué)習(xí)過編程語(yǔ)言、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、各種EDA軟件工具的使用。就編程語(yǔ)言而言，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)校都以C語(yǔ)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(yàn)證常用C語(yǔ)言來做。例如要設(shè)計(jì)Reed-Solomen編碼/解碼器，可以分為下面幾個(gè)步驟。

1. 先深入了解Reed-Solomen編碼/解碼的算法。
2. 編寫C語(yǔ)言的程序來驗(yàn)證算法的正確性。
3. 運(yùn)行描述編碼器的C語(yǔ)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。
4. 編寫一個(gè)加干擾用的C語(yǔ)言程序，用于模擬信道。它能產(chǎn)生隨機(jī)誤碼位（并把誤碼位個(gè)數(shù)控制在糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)），將其加入編碼后的數(shù)據(jù)文件中。運(yùn)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。
5. 編寫一個(gè)解碼器的C語(yǔ)言程序，運(yùn)行該程序把帶誤碼位的編碼文件解碼為另一個(gè)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(dòng)糾正糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)的錯(cuò)碼位），用這種方法我們就可以來驗(yàn)證算法的正確性。但這樣的數(shù)據(jù)處理其運(yùn)行速度只與程序的大小和計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度有關(guān)，也不能獨(dú)立于計(jì)算機(jī)而存在。

如果要設(shè)計(jì)一個(gè)專門的電路來進(jìn)行這種對(duì)速度有要求的實(shí)時(shí)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(yǔ)言（如Verilog HDL或 VHDL）的程序。然后進(jìn)行仿真以便從電路結(jié)構(gòu)上保證算法能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，并能與前端和后端的設(shè)備或器件正確無(wú)誤地交換數(shù)據(jù)。

用硬件描述語(yǔ)言（HDL）的程序設(shè)計(jì)硬件的好處在于易于理解、易于維護(hù)，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(yǔ)言配合HDL來做邏輯設(shè)計(jì)的前后仿真，驗(yàn)證功能是否正確。

在算法硬件電路的研制過程中，計(jì)算電路的結(jié)構(gòu)和芯片的工藝對(duì)運(yùn)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(yǔ)言的功能仿真。
• C語(yǔ)言的并行結(jié)構(gòu)仿真。
• Verilog HDL的行為仿真。
• Verilog HDL RTL級(jí)仿真。
• 綜合后門級(jí)結(jié)構(gòu)仿真。
• 布局布線后仿真。
• 電路實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。

下面介紹用C語(yǔ)言配合Verilog HDL來設(shè)計(jì)算法的硬件電路塊時(shí)考慮的三個(gè)主要問題：

1．為什么選擇C語(yǔ)言與Verilog 配合使用

首先，C語(yǔ)言很靈活，查錯(cuò)功能強(qiáng)，還可以通過PLI（編程語(yǔ)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(yǔ)言是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的一種編程語(yǔ)言，因而C程序的設(shè)計(jì)環(huán)境比Verilog HDL更完整。此外，C語(yǔ)言可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，有可靠的編譯環(huán)境，語(yǔ)法完備，缺陷較少。

比較起來，Verilog 語(yǔ)言只是針對(duì)硬件描述的，在別處使用（如用于算法表達(dá)等）并不方便。而且Verilog的仿真、綜合、查錯(cuò)工具等大部分軟件都是商業(yè)軟件，與C語(yǔ)言相比缺乏長(zhǎng)期大量的使用，可靠性較差，亦有很多缺陷。所以，只有在C語(yǔ)言的配合使用下，Verilog才能更好地發(fā)揮作用。

面對(duì)上述問題，最好的方法是C語(yǔ)言與Verilog語(yǔ)言相輔相成，互相配合使用。這就是既要利用C語(yǔ)言的完整性，又要結(jié)合Verilog對(duì)硬件描述的精確性，來更快、更好地設(shè)計(jì)出符合性能要求的硬件電路系統(tǒng)。

利用C語(yǔ)言完善的查錯(cuò)和編譯環(huán)境，設(shè)計(jì)者可以先設(shè)計(jì)出一個(gè)功能正確的設(shè)計(jì)單元，以此作為設(shè)計(jì)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(shí)還是在C的環(huán)境里，使用的依然是C語(yǔ)言。

如果運(yùn)行結(jié)果都正確，就將C語(yǔ)言關(guān)鍵字用Verilog相應(yīng)的關(guān)鍵字替換，進(jìn)入Verilog的環(huán)境。將測(cè)試輸入同時(shí)加到C與Verilog兩個(gè)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(cè)試，直至正確無(wú)誤。

2．C語(yǔ)言與Verilog語(yǔ)言互相轉(zhuǎn)換中存在的問題

混合語(yǔ)言設(shè)計(jì)流程往往會(huì)在兩種語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換中會(huì)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(shí)現(xiàn)時(shí)運(yùn)行速度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
• 怎樣不使用C中較抽象的語(yǔ)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?yàn)檗D(zhuǎn)換的目的是用可綜合的Verilog語(yǔ)句來代替C程序中的語(yǔ)句，而可用于綜合的Verilog語(yǔ)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(shí)間同時(shí)運(yùn)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(shí)間關(guān)系上同實(shí)際的硬件是有差異的，可能會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)法發(fā)現(xiàn)的問題。

C語(yǔ)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(shí)特性的，一個(gè)函數(shù)是惟一確定的，對(duì)同一個(gè)函數(shù)的不同調(diào)用是一樣的。而Verilog中對(duì)模塊的不同調(diào)用是不同的，即使調(diào)用的是同一個(gè)模塊，必須用不同的名字來指定。

Verilog的語(yǔ)法規(guī)則很死，限制很多，能用的判斷語(yǔ)句有限，仿真速度較慢，查錯(cuò)功能差，錯(cuò)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(yǔ)言的花樣則很多，轉(zhuǎn)換過程中會(huì)遇到一些困難。

C語(yǔ)言沒有時(shí)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(shí)信號(hào)，否則將無(wú)法使用綜合工具把Verilog源代碼轉(zhuǎn)化為門級(jí)邏輯。

3．如何利用C語(yǔ)言來加快硬件的設(shè)計(jì)和查錯(cuò)

如表1所示為常用的C語(yǔ)言與Verilog相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字與控制結(jié)構(gòu)。

表1                                 C語(yǔ)言與Verilog相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字與控制結(jié)構(gòu)表

如表2所示為C語(yǔ)言與Verilog相對(duì)應(yīng)的運(yùn)算符。

表2                                               C語(yǔ)言與Verilog對(duì)應(yīng)運(yùn)算符表

續(xù)表

從上面的講解我們可以總結(jié)如下。

• C語(yǔ)言與Verilog硬件描述語(yǔ)言可以配合使用，輔助設(shè)計(jì)硬件。
• C語(yǔ)言與Verilog硬件描述語(yǔ)言很像，但要稍加限制。
• C語(yǔ)言的程序很容易轉(zhuǎn)成Verilog的程序。