FPGA的设计艺术（10）HDL是软件还是硬件？

前言

大家都知道HDL是逻辑设计的语言，FPGA开发是一种硬件开发的行为，但由于我们平时也使用某种类似软件的方式管理项目，并且类似软件的行为来编码，大多数人还是会误会？你是不是在搞软件？

对于这种问题，我从来都是尴尬一笑，我是做逻辑的。或者说我是做FPGA开发的？但貌似这种回答并不能说明什么问题？我明明看到你在写代码，你三个大屏幕上都是密密麻麻的代码，这是做硬件或者这是设计电路？

于是，这就有必要说一下，FPGA开发是硬件行为还是软件行为？HDL语言是硬件语言还是软件语言？

HDL是软件语言还是硬件语言？

软件是由一个或多个处理器执行的指令列表。源代码被编译为目标代码，但是它仍然是指令列表。数字设计是将逻辑电路放置在集成电路上。 VHDL被综合为逻辑电路，然后被放置在FPGA中并与布线资源连接在一起。 VHDL永远不会执行。电路的相对位置对性能至关重要。

尽管HDL语言通常被称为编程语言，但它们与传统语言几乎没有共同之处。当使用诸如C或Java之类的语言时，我们正在编写一种抽象算法或描述程序行为。CPU实际实现此程序的方式对我们来说不太可能真正有意义。相反，当我们编写HDL代码时，我们是在描述数字电路的行为。在设计FPGA时，请记住这种不同的方法，这一点很重要。

尽管FPGA开发（数字设计）不是软件开发，但过程和管理工具却非常相似。这两项任务实质上是在创建令人难以置信的复杂逻辑结构。

Verilog示例：

always@(posedge sysclk or posedge reset) begin
    if(reset) begin
        igq_reg <= 1'b0;
    end
    else begin
        igq_reg <= igg_in;
    end
end

同样逻辑的VHDL示例：

p_igq_reg : process( sysclk )
begin
    if( rising_edge ( sysclk ) )then
        if( reset = '1 ')then
            igq_reg <= '0 ';
        else
            igq_reg <= igg_in ;
    end if;
end process;

软件的定义是制造完成后可以更改的任何内容。由于可以在完成电路板制造后更改FPGA设计，因此有时将其误称为软件。但是，VHDL和Verilog不是编程语言。HDL的中文名叫硬件描述语言，英文全称为：Hardware Description Language，可见，它的名字就告诉我们，它是为了描述硬件而存在的语言。它们并不是我们在使用软件一词时所想到的东西。

HDL的应用场合有两种，一种是定制芯片，使用HDL设计完成芯片需要实现的功能，芯片制造完成流片后不可更改。另一种应用场合是FPGA设计，使用FPGA这种器件（FPGA本质上也是一种芯片，只不过它是可编程的），在其内部使用HDL语言描述各种逻辑功能的电路，并且可以随时更改设计，相比于芯片更加的灵活。

软件语言可以运行于CPU中，CPU中软件语言的运行，大家都知道，是通过执行指令顺序执行命令。

相对于CPU，下面有必要对FPGA进行简单对比：

我们可以将FPGA看作是大量未连接的数字组件的集合。这包括诸如多路复用器和逻辑门之类的基本组件，以及诸如DSP内核之类的更复杂的组件。在对FPGA进行编程时，实际上是在这些不同组件之间创建连接以创建一个复杂的系统。所有这些意味着我们在创建基于FPGA的设计时从根本上设计硬件。结果，我们可以设计出许多彼此并行运行的电路。这意味着FPGA能够同时执行大量不同的操作。与必须由CPU顺序运行的软件方法相比，这是一个主要优势。

此外，我们还可以在FPGA中对设计时序进行更多控制。我们可以估计在几纳秒内完成一个FPGA需要多长时间。同样，如果我们使用CPU来实现我们的设计，我们将无法做到这一点。这些功能的结果是，FPGA设计比微控制器中的等效实现要快得多。

缺点是它们往往更难以使用。就像我们将要看到的，这不是因为设计FPGA本质上比较困难。主要的区别是开发FPGA的人群要小得多。因此，我们可以使用的库和开放源代码要少得多。

什么是VHDL和Verilog？

VHDL或Verilog同样都是用于描述数字设计的基于文本的语言。 二者同属于HDL，即硬件描述语言，HDL使设计人员无需实际设计硬件即可描述硬件的功能。它们使设计人员可以将行为与实现在各个抽象级别上分开。他们可以准确地描述逻辑门或描述计数器的行为。

既然都是描述硬件的语言，那么该如何选择呢？关于这个问题，我在博文中也曾经有过介绍：FPGA/ASIC初学者应该学习Verilog还是VHDL？

文章中对此进行数据上的介绍，可以一看。

许多人在学习FPGA设计时遇到的第一个问题是他们应该学习VHDL还是Verilog。对于有志于成为专业FPGA设计人员的任何人，学习这两种语言将是有益的。因此，在这种情况下，一个更重要的问题是首先要学习哪种语言。

虽然这两种语言确实存在许多差异，但是对于初学者来说，这些差异可能太微妙了，无法完全欣赏。实际上，即使对于专业工程师而言，很多时间也将取决于个人喜好或公司内部已有的政策。当涉及到RTL建模时，地理通常是选择学习语言的主要决定因素。Verilog是加利福尼亚大型科技公司最常用的语言。因此，对于希望在那里工作的任何人来说，首先学习Verilog都是有意义的。在欧洲，VHDL被更广泛地使用，从这种语言开始是有意义的。

对于爱好者来说，verilog也是一个不错的选择，因为它通常不太冗长。对于门级建模，Verilog比VHDL更为流行。

这主要是由于它具有定义原语行为的固有能力。这意味着我们可以使用一种称为用户定义原语的语言功能来定义FPGA内单元的行为。这对于必须开发定义其芯片中单元行为的库的芯片供应商尤其有用。

与基于VHDL的同类产品相比，使用基于Verilog的模型进行的仿真也往往具有更快的执行时间。

其实对于HDLs:软件还是硬件这样的问题？这是一个错误的问题。VHDL可以用来描述硬件或编写软件。一个测试台可能包含文件访问例程和文本解析器。这些都是用VHDL编写的软件功能。描述数字设计的HDL只是数字电路设计，是一种硬件技能。关键的一点是，FPGA设计就是数字电路设计。为FPGA编写可靠的、可综合的、高效的、同步的VHDL，需要掌握数字设计技术。不管是HDL形式还是原理图形式，数字设计还是数字设计。

硬件建模

我们可以用RTL进行一次简单的RTL建模实践。我们从一个基本电路开始，然后写了一些描述电路行为的HDL。

使用RTL方法的设计由描述FPGA内部寄存器之间的数据流的代码组成。

这意味着我们编写了用触发器，逻辑门，有限状态机和RAM明确描述FPGA行为的代码。

让我们考虑下面的示例电路来演示此概念。

例如，这个电路：

在该电路的RTL模型中，我们将编写描述两个D型触发器和非门的行为的代码。

使用VHDL对其描述为：

dff1_d <= not dff2_q;

dff1:
process (clock) is
begin
  if rising_edge(clock) then
    dff1_q <= dff1_d;
  end if;
end process dff1;

dff2:
process (clock) is
begin
  if rising_edge(clock) then
    dff2_q <= dff1_q;
  end ill
end process dff2;

使用Verilog对其描述为：

assign dff1_d = ~dff2_q;

always@(posedge clk) begin:dff1
    dff1_q <= dff1_d;
end

always@(posedge clk) begin:dff2
    dff2_q <= dff1_q;
end

在此代码中，第一行对非门的行为进行建模。

使用VHDL或Verilog流程对标记为dff1和dff2的触发器进行建模。

只要时钟出现上升沿，这些过程就会锁存输入的值。这符合D型触发器的预期行为。

从该示例中可以看到，我们如何描述设计中组件的行为以及它们之间的互连。

与其他类型的建模（仅定义组件之间的连接）相比，这是RTL建模的定义功能。

软件和硬件的相似性

FPGA中的数字设计每天可以改变很多次，这增加了令人难以置信的灵活性，但代价是有很大的混淆可能性。这意味着对修订控制的强烈需求。关键点：HDL和仿真器使人们很容易用行动代替思想。摒弃这种诱惑，先设计，再编码。

为什么硬件或软件问题很重要？

为了描述数字设计，您无需完全选择。使用综合工具认可的标准语法来编码数字设计非常重要。始终要记住这样一个问题。综合工具将从这些代码中建立什么？