如何使用Verilog HDL描述可綜合電路？

1、如何使用Verilog HDL描述可綜合電路

Verilog 有什么奇技淫巧？我想最重要的是理解其硬件特性。Verilog HDL語(yǔ)言僅是對(duì)已知硬件電路的文本描述。所以編寫(xiě)前：

對(duì)所需實(shí)現(xiàn)的硬件電路“胸有成竹”；

牢記可綜合Verilog HDL與電路結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；

確認(rèn)電路指標(biāo)是什么：性能？面積？

硬件思維方式，代碼不再是一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊；

達(dá)到以上幾點(diǎn)，就可以確保寫(xiě)出行云流水般的高質(zhì)量代碼。

關(guān)于代碼與硬件電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系，參見(jiàn)如下圖片，引用自Synopsys官方文檔：

2、自動(dòng)化生成代碼

如果一定要有奇淫技巧的話，那么代碼自動(dòng)化生成技術(shù)就一定可以配得上這個(gè)稱號(hào)。

近十年來(lái)，數(shù)字集成電路規(guī)模和復(fù)雜度飛速提高。這給數(shù)字集成電路工程師帶來(lái)了不僅是腦力上的勞動(dòng)的增加，更多是體力重復(fù)性工作的增多。傳統(tǒng)的手工代碼的編寫(xiě)存在很多弊端：

對(duì)于模塊的代碼工程師，要面對(duì)許多設(shè)計(jì)文件。而這些文件之間可能相互不一致，給代碼的編寫(xiě)帶來(lái)了很多的困擾。

代碼工程師需要將這些文件中的很多設(shè)計(jì)信息體現(xiàn)在代碼中，其中一些信息是充分性的謄寫(xiě)。這不僅帶來(lái)了很多枯燥復(fù)雜的工作量而且人工參與過(guò)多也容易引入很多粗心帶來(lái)的錯(cuò)誤。

由于各個(gè)模塊連接信號(hào)之多導(dǎo)致信號(hào)文件的手寫(xiě)工作量很大。每個(gè)信號(hào)文件小則幾千行大則上萬(wàn)行信息。而且一旦有信號(hào)連接的變動(dòng)需要相應(yīng)修改多個(gè)模塊的信號(hào)文件。

如果設(shè)計(jì)文件改動(dòng)相應(yīng)的設(shè)計(jì)文件很容易出現(xiàn)哪幾處忘記改動(dòng)的問(wèn)題。

而腳本語(yǔ)言又有著強(qiáng)大的處理文本的能力。將腳本語(yǔ)言應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，作為設(shè)計(jì)文檔和EDA工具的黏合劑，能夠大大增加設(shè)計(jì)的速度。具體方法為：使用腳本語(yǔ)言從設(shè)計(jì)文檔中提取有用的信息來(lái)生成想要的Verilog HDL代碼，從而大大減少了IC設(shè)計(jì)者的工作量，并提高了代碼的質(zhì)量。

其好處有：

很好的設(shè)計(jì)一致性：保證了設(shè)計(jì)概念一旦變動(dòng)即設(shè)計(jì)文檔稍加修改，對(duì)應(yīng)的VHDL代碼就會(huì)相應(yīng)的改變，不需要工程師手動(dòng)改變代碼。

兼容性強(qiáng)：該自動(dòng)生成代碼工具中設(shè)置了一個(gè)配置文件，供設(shè)計(jì)工程師的配置修改。對(duì)于不同的項(xiàng)目，通過(guò)修改配置該文件可以直接是代碼相應(yīng)變化，有一定的靈活性。此外，該自動(dòng)生成代碼工具已經(jīng)應(yīng)用于兩個(gè)以上項(xiàng)目中，實(shí)踐證明有很好的兼容性。

代碼維護(hù)方便：對(duì)于設(shè)計(jì)代碼的更新或升級(jí)，只需要從新運(yùn)行下該工具即可，不需要一點(diǎn)點(diǎn)該寫(xiě)代碼。

使用簡(jiǎn)單：集成大量腳本，使用工具時(shí)只需要運(yùn)行一條命令即可。

本文將舉一個(gè)Perl語(yǔ)言在代碼自動(dòng)生成中的應(yīng)用實(shí)例，下圖為一款SoC芯片中全芯片的時(shí)鐘控制電路框圖：

時(shí)鐘控制模塊實(shí)現(xiàn)配置PLL參數(shù)、選擇輸出時(shí)鐘源、時(shí)鐘分頻、時(shí)鐘門(mén)控、bank切換、輸出時(shí)鐘等功能。3G、4G是系統(tǒng)通訊單元，向時(shí)鐘控制單元申請(qǐng)時(shí)鐘。PLLs是時(shí)鐘源，是時(shí)鐘控制單元的輸入。時(shí)鐘控制單元有七大主要模塊，分別為時(shí)鐘源控制模塊、bank切換模塊、分頻模塊、時(shí)鐘門(mén)控模塊、多路選擇器模塊、寄存器、3G4G時(shí)鐘握手模塊。時(shí)鐘源控制模塊控制時(shí)鐘源的大小、開(kāi)關(guān)。bank切換模塊使時(shí)鐘控制單元能正常工作在不同的電壓下。

時(shí)鐘控制單元的的工作機(jī)理如下：首先，外部模塊向時(shí)鐘控制單元請(qǐng)求時(shí)鐘，并修改并寫(xiě)寄存器狀態(tài)；時(shí)鐘源控制單元根據(jù)寄存器中的內(nèi)容配置時(shí)鐘源Plls，并提供了所有的時(shí)鐘源。然后，分頻器完成這些時(shí)鐘源預(yù)分頻的操作，并將其作為多路選擇器的時(shí)鐘源。而多路選擇器則從輸入的時(shí)鐘源中選擇輸出主時(shí)鐘。主時(shí)鐘通過(guò)分頻模塊產(chǎn)生所有的分頻使能信號(hào)，這個(gè)過(guò)程中，需根據(jù)寄存器所配置的分頻數(shù)來(lái)輸出不同的頻率的時(shí)鐘。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)需求，通過(guò)由SPCU控制的bank選擇器完成門(mén)控時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)，降低系統(tǒng)的功耗。

以上是時(shí)鐘控制模塊的功能分析，那么如何通過(guò)代碼自動(dòng)生成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？

（1）首先，我們把這些模塊梳理下，形成一個(gè)自頂向下的層次結(jié)構(gòu)，如下圖。如圖中所示，頂層模塊完成對(duì)底層模塊的連接，底層模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘控制單元的功能。

針對(duì)代碼自動(dòng)生成問(wèn)題，對(duì)于頂層模塊來(lái)說(shuō)，承擔(dān)的功能是自動(dòng)地將底層數(shù)十個(gè)模塊連接起來(lái)。對(duì)于底層模塊來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)不同的功能定制需求，來(lái)自動(dòng)化地生成所有功能性的代碼，然后被頂層調(diào)用和連接。這樣的話，就存在兩個(gè)問(wèn)題：[1]自動(dòng)生成頂層模塊？[2]自動(dòng)生成底層模塊？

（2）頂層模塊：通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的SoC芯片，會(huì)有萬(wàn)數(shù)量級(jí)的信號(hào)需要進(jìn)行匹配和連接。而能夠自動(dòng)生成的信號(hào)文件中的信號(hào)連接有兩個(gè)特點(diǎn)：一是信號(hào)命令規(guī)律性強(qiáng)二是信號(hào)的連接關(guān)系可以從設(shè)計(jì)文件中體現(xiàn)。滿足了這兩點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)文件的自動(dòng)化。

（3）底層模塊此處即可體現(xiàn)Perl腳本強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，針對(duì)該問(wèn)題，將腳本劃分為三類：提取腳本、生成腳本和集成腳本三種。提取腳本用來(lái)從輸入文件中提取有用的設(shè)計(jì)信息到存儲(chǔ)單元中；生成腳本從存儲(chǔ)單元獲得有用信息來(lái)生成各個(gè)功能模塊的代碼；集成腳本將所有的腳本集成在一個(gè)腳本里，方便統(tǒng)一化使用。以下是代碼生成的腳本流程圖：

如圖所示，輸入的文件都是excel和文本形式，Perl腳本首先讀取技術(shù)文檔，從中解析出時(shí)鐘模塊所需的連接、頻率、時(shí)鐘域等信息，基于此信息建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，根據(jù)實(shí)際芯片的具體需求，即配置文件，生成相應(yīng)的自動(dòng)化控制模式和需求。最終，依據(jù)配置文件和數(shù)據(jù)庫(kù)，完成所有所需verilog代碼的生成。需要注意的是，并不是所有的代碼都可以自動(dòng)生成，有些結(jié)構(gòu)特殊的電路，只能通過(guò)手工編寫(xiě)來(lái)完成。所以，自動(dòng)編寫(xiě)通常完成較為規(guī)整的、有規(guī)律性的代碼，手工書(shū)寫(xiě)作為補(bǔ)充。這樣即可保證得到高質(zhì)量的代碼。

總結(jié)

Perl語(yǔ)言強(qiáng)大的正則和hash能力成就了代碼自動(dòng)生成技術(shù)，在這個(gè)領(lǐng)域，其他腳本語(yǔ)言黯然失色。當(dāng)然，使用Python也可以同樣的功能。

但是，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠智能。

短期內(nèi)，如何使得代碼生成技術(shù)更加友好，更方便移植和管理？如何更加徹底地剝離人工干預(yù)的工作，腳本自動(dòng)決定哪些電路需要自動(dòng)生成的代碼？

在更遠(yuǎn)的未來(lái)，是否能夠拋棄掉太糾結(jié)于細(xì)節(jié)的Verilog語(yǔ)言？高級(jí)語(yǔ)言綜合技術(shù)HLS、Chisel、AI自動(dòng)生成代碼和電路是否是更好的選擇？

原文標(biāo)題：書(shū)寫(xiě)Verilog 有什么奇技淫巧

文章出處：【微信公眾號(hào)：FPGA技術(shù)江湖】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯:haq