一、 HDL不是硬件设计语言 过去笔者曾碰到过不少VHDL或Verilog HDL的初学者问一些相似的问题，诸如如何实现除法、开根号，如何写循环语句等等。在这个论坛上，也时常能看到一些网友提出这一类的问题。 对 于这些问题，首先要明确的是VHDL和Veriglog并非是针对硬件设计而开发的语言，只不过目前被我们用来设计硬件。HDL是Hardware Description Language的缩写，正式中文名称是“硬件描述语言”。也就是说，HDL并不是“硬件设计语言(Hardware Design Language)”。别看只差这一个单词，正是这一个单词才决定了绝大部分电路设计必须遵循RTL的模式来编写代码，而不能随心所欲得写仅仅符合语法的 HDL代码。 二、HDL的来历 之所以是“硬件描述 语言”，要从HDL的来历说起。 VHDL于1980年开始在美国国防部的指导下开发，完成于1983年，并于 1987年成为IEEE的标准。当初开发这种语言，是出于美国国防部采购电子设备的需要。美军的装备采购自私人企业，时常要面对这样一种风险：如果某种武 器大量装备xx，而其中某个零件的供应商却在几年后倒闭了，那这种武器的再生产、维修和保养都会出现大问题。而电子设备、尤其是集成电路的内部结构较为复 杂，若出现前面所说的情况要找其他公司生产代用品非常困难。于是美国防部希望供应商能以某种形式留下其产品的信息，以保证一旦其破产后能由其他厂商迅速生 产出代用品。 显然，当初的设计文档显然是不能交出来的，这在美国会涉及商业机密和知识产权问题。于是美国防部 就想出了一种折衷的方法——描述硬件的语言，也就是VHDL。通过VHDL，供应商要把自己生产的集成电路芯片的行为描述出来：比如说，加了什么样的信号 后过多少时间它能输出什么等等。这样，如果有必要让其他厂商生产代用品，他们只需照着VHDL文档，设计出行为与其相同的芯片即可。这样的代用品相当于是 新厂商在不了解原产品结构的情况下独立设计的，所以不太会涉及知识侵权。 HDL也形成于差不多的年代，是由Gateway Design Automation公司大约在1983年左右开发的。其架构同VHDL相似，但主要被用来进行硬件仿真。或许私人公司更注重实用，Verilog要比 VHDL简洁得多。 由此可见，这两种{zlx}的用于电路设计的语言，没有一种是为了设计硬件而开发的(更何况 80年代还没有现在的那些功能强大的EDA软件呢)。因此，当初制订HDL语言标准的时候，并没有考虑这些代码如何用硬件来实现。换句话说，有些代码写起 来简单，实现起来却可能非常复杂，或者几乎不可能实现。 三、HDL代码的可综合性 现 在回到最初的问题上。为什么诸如除法、循环之类的HDL代码总是会出错？ 由上一部分可知，任何符合HDL语法 标准的代码都是对硬件行为的一种描述，但不一定是可直接对应成电路的设计信息。行为描述可以基于不同的层次，如系统级，算法级，寄存器传输级()、门级等等。以目前大部分 EDA软件的综合能力来说，只有RTL或更低层次的行为描述才能保证是可综合的。而众多初学者试图做的，却是想让软件去综合算法级或者更加抽象的硬件行为 描述。 比如说，要想实现两个变量相除的运算，若在代码中写下C=A/B，你将会发现只有一些模拟软件在前仿真 中能正确执行这句代码，但几乎任何软件都不能将其综合成硬件。不要怪软件太笨。试想一下，如果我们自己笔算除法是怎么做的？从高位到低位逐次试除、求余、 移位。试除和求余需要减法器，商数和余数的中间结果必须有寄存器存储；而此运算显然不能在一个时钟周期里完成，还需要一个状态机来控制时序。一句简单的 C=A/B同所有这些相比显得太抽象，对于只能接受RTL或更低层次描述的EDA软件来说确实太难实现。而如果代码是类似于(Verilog)
这样的，要求除法在一个时钟延上 完成，那更是不可能实现的。(注：有些FPGA的配套软件提供乘除法的运算模块，但也只能支持直接调用，不支持把形如C=A/B的语句综合成除法模块。) 又 比如，一个很多初学者常见的问题是试图让HDL进行循环运算，形同(Verilog)：
一 些功能比较简单的综合软件会xx拒绝综合循环语句；而一些功能较强的软件仅当wordlength是常数的时候能综合；当wordlength为变量时， 任何软件都不能综合上面的语句。这是因为硬件规模必须是有限的、固定的。当综合软件遇到循环语句时，总是将其展开成若干条顺序执行的语句，然后再综合成电 路。若wordlength是常数，则展开的语句数是确定的，具有可综合性；而若它是变量时，展开的语句数不确定，对应的硬件电路数量也不能确定，无法被 综合。或许有人说用计数器就能实现变量循环，但这情形又和上面的除法运算相同。那需要额外的硬件，用来存储中间结果和进行时序控制，象上面那样的循环语句 对此描述得太抽象，软件接受不了。 四、如何判断自己写的代码是可综合的？ 用 一句简单的话概括：电脑永远没有你聪明。具体来说，通常EDA软件对HDL代码的综合能力总是比人差。对于一段代码，如果你不能想象出一个较直观的硬件实 现方法，那EDA软件肯定也不行。比如说，加法器、多路选择器是大家都很熟悉的电路，所以类似A+B-C，(A>B)?C:D这样的运算一定可以综 合。而除法、开根、对数等等较复杂的运算，必须通过一定的算法实现，没有直观简单的实现方法，则可以判断那些计算式是不能综合的，必须按它们的算法写出更 具体的代码才能实现。此外，硬件无法支持的行为描述，当然也不能被综合(比如想在FPGA上实现DDR内存那样的双延触发逻辑，代码很容易写，但却不能实 现)。 不过，这样的判断标准非常主观模糊，遇到具体情况还得按设计人员自己的经验来判断。如果要一个相对客观 的标准，一般来说：在RTL级的描述中，所有逻辑运算和加减法运算、以及他们的有限次组合，基本上是可综合的，否则就有无法综合的可能性。当然，这样的标 准仍然有缺陷，更况且EDA的技术也在不断发展，过去无法综合的代码或许将来行，某些软件不支持的代码换个软件或许行。比如固定次数的循环，含一个常数参 数的乘法运算等等，有些EDA软件支持对它们的综合，而有些软件不行。 所以，正确的判断仍然要靠实践来积累经 验。当你可以较准确判断代码的可综合性的时候，你对HDL的掌握就算xx入门了。 作者：董培良
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