西电verilog讲义

2020/5/201数字系统设计与VerilogHDL西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室宋万杰西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/202课程安排课程时数：46学分数：3教材：Verilog数字系统设计教程出版社：北京航空航天大学出版社，作者：夏宇闻编著参考书：1.Verilog数字系统设计及应用，西电出版社，袁俊泉等编著；2.《硬件描述语言Verilog》清华大学出版社，Thomas&Moorby，刘明业等译。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/203西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室课时及考试安排授课时数：30课时上机时数；14课时考试时数：90分钟成绩计算：大作业*40%+考试*60%2020/5/204课程内容安排西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室第一部分初级篇第一章.概述及设计工具介绍第二章.VerilogHDL的基本知识第三章.VerilogHDL基本概念第四章.常用Verilog语法之一第五章．常用Verilog语法之二第六章．常用Verilog语法之三第七章．常用Verilog语法之四第八章．常用Verilog语法之五2020/5/205课程内容安排•第二部分中级篇•第九章.VerilogHDL模型的不同抽象级别•第十章.如何编写和验证简单的纯组合逻辑模块•第十一章.复杂数字系统的构成•第十二章.同步状态机的原理、结构和设计•第十三章.设计可综合的状态机的指导原则•第十四章.深入理解阻塞和非阻塞赋值的不同•第十五章.较复杂时序逻辑电路设计实践西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/206绪论•为什么要设计专用的复杂数字系统•数字信号处理•计算（computing）•算法和数据结构•编程语言和程序•系统的微体系结构和硬线连接的门级逻辑•设计方法学•专用硬线逻辑与微处理器的比较•C语言、Matlab与硬件描述语言在算法运算电路设计的关系和作用西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/207西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室•本课程的目的是想通过对数字信号处理、计算、算法和数据结构、编程语言和程序、体系结构和硬线逻辑等基本概念的介绍，了解算法与硬线逻辑之间的关系，从而引入利用VerilogHDL硬件描述语言设计复杂的数字逻辑系统的概念和方法。借助于这种方法，在电路设计自动化仿真和综合工具的帮助下，只要对并行计算微体系结构有一定程度的了解，对有关算法有深入的研究，我们完全有能力设计并制造出具有自己知识产权的DSP类和任何复杂的数字逻辑集成电路芯片，为我国的电子工业和国防现代化作出应有的贡献1.为什么要设计专用的复杂数字系统2020/5/2082.数字信号处理数字信号处理系统往往要进行一些复杂的数字运算和数据处理，并且又有实时响应的要求，他们通常是由高速专用数字逻辑系统或专用数字信号处理器所构成，电路是相当复杂的。因此只有在高速大规模集成电路设计制造技术进步的基础上，才有可能实现真正有意义的实时数字信号处理系统。对实时数字信号处理系统的要求不断提高，也推动了高速大规模集成电路设计制造技术的进步。现代专用集成电路的设计是借助于电子电路设计自动化（EDA）工具完成的。学习和掌握硬件描述语言（HDL）是使用电子电路设计自动化工具的基础。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/209西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室•这里所说的计算是从英语Computing翻译过来的，他的含义要比单纯的数学计算广泛得多。“Computing这门学问研究怎样系统地有步骤地描述和转换信息，实质上是一门覆盖了多个知识和技术范畴的学问，其中包括了计算的理论、分析、设计、效率和应用。它提出的最基本的问题是什么样的工作能自动完成，什么样的不能”。•由传统的观点出发，可以从三个不同的方面来研究计算，即从数学、科学和工程的不同角度；由比较现代的观点出发，可以从四个主要的方面来研究计算，即从算法和数据结构、编程语言、体系结构、软件和硬件设计方法学。•一个复杂的数字系统设计往往是从算法到由硬线连接的门级逻辑结构，再映射到硅片的逐步实现的过程。3.计算（Computing）2020/5/2010•我们将从算法和数据结构、编程语言和程序、微体系结构和硬线逻辑以及设计方法学等方面的基本概念出发来研究和探讨用于数字信号处理等领域的复杂硬线逻辑电路的设计技术和方法。特别强调利用Verilog硬件描述语言的Top-Down设计方法的介绍。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室3.计算（Computing）2020/5/20114.算法和数据结构•为了准确地表示特定问题的信息并顺利地解决有关的计算问题，需要采用一些特殊方法并建立相应的模型。所谓算法就是解决特定问题的有序步骤，所谓数据结构就是解决特定问题的相应的模型。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20125.编程语言和程序•程序员利用一种由专家设计的既可以被人理解，也可以被计算机解释的语言来表示算法问题的求解过程。这种语言就是编程语言，由它所表达的算法问题的求解过程就是程序。•如果需要设计和制造能进行快速计算的硬线逻辑专用电路，必须学习数字电路的基本知识和硬件描述语言。•现代复杂数字逻辑系统的设计都是借助于EDA工具完成的，无论电路系统的仿真和综合都需要掌握硬件描述语言。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20136.系统的微体系结构和硬线连接的门级逻辑•计算电路究竟是如何构成的？为什么它能有效地和正确地执行每一步程序？它能不能用另外一种结构方案来构成？运算速度还能不能再提高？所谓计算微体系结构就是回答以上问题并从硬线逻辑和软件两个角度一起来探讨某种结构的计算机的性能潜力。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20147.设计方法学•复杂数字系统设计是一个把思想（即算法）转化为实际数字逻辑电路的过程。我们知道，同一个算法可以用不同结构的数字逻辑电路来实现，这从运算的结果来说可能是完全一致的，但其运算速度和性能价格比可以有很大的差别。我们可以用许多不同的方案来实现实时完成算法的复杂数字系统电路。•一个优秀的有经验的设计师，能通过硬件描述语言的顶层仿真较快地确定合理的系统电路结构，减少由于总体结构设计不合理而造成的返工，从而大大加快系统的设计过程。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20158.专用硬件逻辑与微处理器的比较•在信号处理专用计算电路的设计中，以专用微处理器芯片为中心来构成完成算法所需的电路系统是一种较好的办法。采用这种方法，设计周期短、可以利用的资源多，但速度、能耗、体积等性能受该微处理器芯片和外围电路的限制。•用高密度的FPGA来构成完成算法所需的电路系统也是一种较好的办法。•采用自行设计的专用ASIC系统芯片，但设计和制造周期长西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20169.C语言、matlab与HDL在算法运算电路设计中的关系和作用•Matlab来做数学计算系统的行为仿真常常比直接用C语言方便，能很快生成有用的数据文件和表格，直接用于算法正确性的验证。•基础算法的描述和验证常用C语言来做。•硬件描述语言的程序设计硬件的好处在于易于理解、易于维护、调试电路速度快、有许多的易于掌握的仿真、综合和布局布线工具，还可以用C语言配合HDL来做逻辑设计的布线前和布线后仿真，验证功能是否正确。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/2017第一部分初级篇数字通信和自动化控制等领域的高速度发展和世界范围的高技术竞争对数字系统提出了越来越高的要求，特别是需要设计具有实时信号处理能力的专用集成电路，要求把包括多个CPU内核的整个电子系统综合到一个芯片（SOC）上。VHDL和VerilogHDL这两种工业标准的产生顺应了历史的潮流，因而得到了迅速的发展。作为新世纪的中国大学生应该尽早掌握这种新的设计方法，使我国在复杂数字电路及系统的设计竞争中逐步缩小与美国等先进的工业发达国家的差距。为我国新世纪的深亚微米千万门级的复杂系统的设计培养一批技术骨干。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室Verilog数字系统设计教程第一讲Verilog的基本概念宋万杰西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室2020/5/2019•硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)是硬件设计人员和电子设计自动化(EDA)工具之间的接口，其主要目的是用来编写设计文件，建立电子系统行为级的仿真模型。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室1.1硬件描述语言HDL2020/5/20201.1硬件描述语言HDL•硬件描述语言利用计算机的巨大能力对用HDL建模的复杂数字逻辑进行仿真，然后再自动综合以生成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表（Netlist），根据网表和某种工艺的器件自动生成具体电路然后生成该工艺条件下这种具体电路的延时模型。仿真验证无误后用于制造ASIC芯片或写入CPLD和FPGA器件中。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/2021什么是硬件描述语言•具有特殊结构能够对硬件逻辑电路的功能进行描述的一种高级编程语言•这种特殊结构能够：–描述电路的连接–描述电路的功能–在不同抽象级上描述电路–描述电路的时序–表达具有并行性•HDL主要有两种：Verilog和VHDL–Verilog起源于C语言，因此非常类似于C语言，容易掌握–VHDL格式严谨–VHDL出现较晚，但标准化早。IEEE1706-1985标准。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/2022为什么要使用硬件描述语言•电路的逻辑功能容易理解；•便于计算机对逻辑进行分析处理；•把逻辑设计与具体电路的实现分成两个独立的阶段来操作；•逻辑设计与实现的工艺无关；•逻辑设计的资源积累可以重复利用；•可以由多人共同更好更快地设计非常复杂的逻辑电路（几十万门以上的逻辑系统）。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20231.2VerilogHDL的历史1.2.1什么是VerilogHDLVerilogHDL是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统设计。设计者可用它进行各种级别的逻辑设计，可用它进行数字逻辑系统的仿真验证、时序分析、逻辑综合。它是目前应用最广泛的一种硬件描述语言。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20241.2VerilogHDL的历史1.2.2VerilogHDL的产生及发展VerilogHDL是在1983年由GDA(GateWayDesignAutomation)公司的PhilMoorby所创。PhiMoorby后来成为Verilog-XL的主要设计者和Cadence公司的第一个合伙人。在1984~1985年间，Moorby设计出了第一个Verilog-XL的仿真器。1986年，Moorby提出了用于快速门级仿真的XL算法。1990年，Cadence公司收购了GDA公司1991年，Cadence公司公开发表Verilog语言，成立了OVI(OpenVerilogInternational)组织来负责VerilogHDL语言的发展。1995年制定了VerilogHDL的IEEE标准，即IEEE1364。西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/20251.2VerilogHDL的历史西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室2020/5/2026•VHDL-比VerilogHDL早几年成为IEEE标准；-语法/结构比较严格，因而编写出的模块风格比较清晰；-比较适合由较多的设计人员合作完成的特大型项目（一百万门以上）。1.3VerilogHDL和VHDL的比较西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实