硬件描述語言HDL的現(xiàn)狀與發(fā)展

    摘要：從數(shù)字系統(tǒng)設計的性質出發(fā)，結合目前迅速發(fā)展的芯片系統(tǒng)，比較、研究各種硬件描述語言；詳細闡述各種語言的發(fā)展歷史、體系結構和設計方法；探討未來硬件描述語言的發(fā)展趨勢，同時針對國內(nèi)EDA基礎薄弱的現(xiàn)狀，在硬件描述語言方面作了一些有益的思考。

    關鍵詞：ASIC 硬件描述語言HDL Verilog HDL VHDL SystemC Superlog 芯片系統(tǒng)SoC

引 言

　　硬件描述語言HDL是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。利用這種語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設計可以從上層到下層（從抽象到具體）逐層描述自己的設計思想，用一系列分層次的模塊來表示極其復雜的數(shù)字系統(tǒng)。然后，利用電子設計自動化（EDA）工具，逐層進行仿真驗證，再把其中需要變?yōu)閷嶋H電路的模塊組合，經(jīng)過自動綜合工具轉換到門級電路網(wǎng)表。接下去，再用專用集成電路ASIC或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA自動布局布線工具，把網(wǎng)表轉換為要實現(xiàn)的具體電路布線結構。

　　目前，這種高層次(high-level-design)的方法已被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計，目前在美國硅谷約有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述語言進行設計。

　　硬件描述語言HDL的發(fā)展至今已有20多年的歷史，并成功地應用于設計的各個階段：建模、仿真、驗證和綜合等。到20世紀80年代，已出現(xiàn)了上百種硬件描述語言，對設計自動化曾起到了極大的促進和推動作用。但是，這些語言一般各自面向特定的設計領域和層次，而且眾多的語言使用戶無所適從。因此，急需一種面向設計的多領域、多層次并得到普遍認同的標準硬件描述語言。20世紀80年代后期，VHDL和Verilog HDL語言適應了這種趨勢的要求，先后成為IEEE標準。

　　現(xiàn)在，隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)，軟硬件協(xié)調(diào)設計和系統(tǒng)設計變得越來越重要。傳統(tǒng)意義上的硬件設計越來越傾向于與系統(tǒng)設計和軟件設計結合。硬件描述語言為適應新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、Cynlib C++等等。究竟選擇哪種語言進行設計，整個業(yè)界正在進行激烈的討論。因此，完全有必要在這方面作一些比較研究，為EDA設計做一些有意義的工作，也為發(fā)展我們未來的芯片設計技術打好基礎。

1 目前HDL發(fā)展狀況

　　目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。雖然各種語言各有所長，但業(yè)界對到底使用哪一種語言進行設計，卻莫衷一是，難有定論。

　　而比較一致的意見是，HDL和C/C++語言在設計流程中實現(xiàn)級和系統(tǒng)級都具有各自的用武之地。問題出現(xiàn)在系統(tǒng)級和實現(xiàn)級相連接的地方：什么時候將使用中的一種語言停下來，而開始使用另外一種語言？或者干脆就直接使用一種語言？現(xiàn)在看來得出結論仍為時過早。

　　在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者就使用何種設計語言展開了生動、激烈的辯論。最后，與會者投票表決：如果要啟動一個芯片設計項目，他們愿意選擇哪種方案?結果，僅有2票或3票贊成使用SystemC、Cynlib和C Level設計；而Superlog和Verilog各自獲得了約20票。至于以后會是什么情況，連會議主持人John Cooley也明確表示：“5年后，誰也不知道這個星球會發(fā)生什么事情。”

　　各方人士各持己見：為Verilog辯護者認為，開發(fā)一種新的設計語言是一種浪費；為SystemC辯護者認為，系統(tǒng)級芯片SoC快速增長的復雜性需要新的設計方法；C語言的贊揚者認為，Verilog是硬件設計的匯編語言，而編程的標準很快就會是高級語言，Cynlib C++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Superlog的捍衛(wèi)者認為，Superlog是Verilog的擴展，可以在整個設計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現(xiàn)有的方法兼容，是一種進化，而不是一場革命。

　　當然，以上所有的討論都沒有提及模擬設計。如果想設計帶有模擬電路的芯片，硬件描述語言必須有模擬擴展部分，像Verilog HDL-A，既要求能夠描述門級開關級，又要求具有描述物理特性的能力。

2 幾種代表性的HDL語言

2.1 VHDL

　　早在1980年，因為美國軍事工業(yè)需要描述電子系統(tǒng)的方法，美國國防部開始進行VHDL的開發(fā)。1987年，由IEEE（Institute of Electrical and Electro- nics Engineers）將VHDL制定為標準。參考手冊為IEEE VHDL語言參考手冊標準草案1076/B版，于1987年批準，稱為IEEE 1076-1987。應當注意，起初VHDL只是作為系統(tǒng)規(guī)范的一個標準，而不是為設計而制定的。第二個版本是在1993年制定的，稱為VHDL-93，增加了一些新的命令和屬性。

　　雖然有“VHDL是一個4億美元的錯誤”這樣的說法，但VHDL畢竟是1995年以前唯一制訂為標準的硬件描述語言，這是它不爭的事實和優(yōu)勢；但同時它確實比較麻煩，而且其綜合庫至今也沒有標準化，不具有晶體管開關級的描述能力和模擬設計的描述能力。目前的看法是，對于特大型的系統(tǒng)級數(shù)字電路設計，VHDL是較為合適的。

　　實質上，在底層的VHDL設計環(huán)境是由Verilog HDL描述的器件庫支持的，因此，它們之間的互操作性十分重要。目前，Verilog和VDHL的兩個國際組織OVI、VI正在籌劃這一工作，準備成立專門的工作組來協(xié)調(diào)VHDL和Verilog HDL語言的互操作性。OVI也支持不需要翻譯，由VHDL到Verilog的自由表達。

2.2 Verilog HDL

　　Verilog HDL是在1983年，由GDA（GateWay Design Automation）公司的Phil Moorby首創(chuàng)的。Phil Moorby后來成為Verilog-XL的主要設計者和Cadence公司的第一合伙人。在1984~1985年，Phil Moorby設計出了第一個名為Verilog-XL的仿真器；1986年，他對Verilog HDL的發(fā)展又作出了另一個巨大的貢獻：提出了用于快速門級仿真的XL算法。

　　隨著Verilog-XL算法的成功，Verilog HDL語言得到迅速發(fā)展。1989年，Cadence公司收購了GDA公司，Verilog HDL語言成為Cadence公司的私有財產(chǎn)。1990年，Cadence公司決定公開Verilog HDL語言，于是成立了OVI（Open Verilog International）組織，負責促進Verilog HDL語言的發(fā)展?；赩erilog HDL的優(yōu)越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE標準，即Verilog HDL 1364-1995；2001年發(fā)布了Verilog HDL 1364-2001標準。在這個標準中，加入了Verilog HDL-A標準，使Verilog有了模擬設計描述的能力。

    2.3 Superlog

　　開發(fā)一種新的硬件設計語言，總是有些冒險，而且未必能夠利用原來對硬件開發(fā)的經(jīng)驗。能不能在原有硬件描述語言的基礎上，結合高級語言C、C++甚至Java等語言的特點，進行擴展，達到一種新的系統(tǒng)級設計語言標準呢?

　　Superlog就是在這樣的背景下研制開發(fā)的系統(tǒng)級硬件描述語言。Verilog語言的首創(chuàng)者Phil Moorby和Peter Flake等硬件描述語言專家，在一家叫Co-Design Automation的EDA公司進行合作，開始對Verilog進行擴展研究。1999年，Co-Design公司發(fā)布了SUPERLOGTM系統(tǒng)設計語言，同時發(fā)布了兩個開發(fā)工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一個用于系統(tǒng)級開發(fā)，一個用于高級驗證。2001年，Co-Design公司向電子產(chǎn)業(yè)標準化組織Accellera發(fā)布了SUPERLOG擴展綜合子集ESS，這樣它就可以在今天Verilog語言的RTL級綜合子集的基礎上，提供更多級別的硬件綜合抽象級，為各種系統(tǒng)級的EDA軟件工具所利用。

　　至今為止，已超過15家芯片設計公司用Superlog來進行芯片設計和硬件開發(fā)。Superlog是一種具有良好前景的系統(tǒng)級硬件描述語言。但是不久前，由于整個IT產(chǎn)業(yè)的滑坡，EDA公司進行大的整合，Co-Design公司被Synopsys公司兼并，形勢又變得撲朔迷離。

2.4 SystemC

　　隨著半導體技術的迅猛發(fā)展，SoC已經(jīng)成為當今集成電路設計的發(fā)展方向。在系統(tǒng)芯片的各個設計中，像系統(tǒng)定義、軟硬件劃分、設計實現(xiàn)等，集成電路設計界一直在考慮如何滿足SoC的設計要求，一直在尋找一種能同時實現(xiàn)較高層次的軟件和硬件描述的系統(tǒng)級設計語言。

　　SystemC正是在這種情況下，由Synopsys公司和CoWare公司積極響應目前各方對系統(tǒng)級設計語言的需求而合作開發(fā)的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、IP公司、半導體公司和嵌入式軟件公司宣布成立“開放式SystemC聯(lián)盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了SystemC聯(lián)盟。SystemC從1999年9月聯(lián)盟建立初期的0.9版本開始更新，從1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2.0版。

3 各種HDL語言的體系結構和設計方法

3.1 SystemC

　　所有的SystemC都是基于C++的；圖1中的上層構架都是很明確地建立在下層的基礎上；SystemC內(nèi)核提供一個用于系統(tǒng)體系結構、并行、通信和同步時鐘描述的模塊；完全支持內(nèi)核描繪以外的數(shù)據(jù)類型、用戶定義數(shù)據(jù)類型；通常的通信方式，如信號、FIFO，都可以在內(nèi)核的基礎上建立，經(jīng)常使用的計算模塊也可以在內(nèi)核基礎上建立；如果需要，圖1中較低層的內(nèi)容不依賴上層就可以直接使用。

　　實際使用中，SystemC由一組描述類庫和一個包含仿真核的庫組成。在用戶的描述程序中，必須包括相應的類庫，可以通過通常的ANSI C++編譯器編譯該程序。SystemC提供了軟件、硬件和系統(tǒng)模塊。用戶可以在不同的層次上自由選擇，建立自己的系統(tǒng)模型，進行仿真、優(yōu)化、驗證、綜合等等。

3.2 Superlog

　　Superlog集合了Verilog的簡潔、C語言的強大、功能驗證和系統(tǒng)級結構設計等特征，是一種高速的硬件描述語言。其體系結構如圖2。

　　① Verilog 95和Verilog 2K。Superlog是Verilog HDL的超集，支持最新的Verilog 2K的硬件模型。

　　② C和C++語言。Superlog提供C語言的結構、類型、指針，同時具有C++面對對象的特性。

　　③ Superlog擴展綜合子集ESS。ESS提供一種新的硬件描述的綜合抽象級。

　?、?強大的驗證功能。自動測試基準，如隨機數(shù)據(jù)產(chǎn)生、功能覆蓋、各種專有檢查等。

　　Superlog的系統(tǒng)級硬件開發(fā)工具主要有Co- Design Automation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同時可以結合其它的EDA工具進行開發(fā)。

3.3 Verilog和VHDL

　　這兩種語言是傳統(tǒng)硬件描述語言，有很多的書籍和資料可以查閱參考，這里不多介紹。

4 目前可取可行的策略和方式

　　按傳統(tǒng)方法，我們將硬件抽象級的模型類型分為以下五種：

　　◇ 系統(tǒng)級（system）——用語言提供的高級結構實現(xiàn)算法運行的模型；

　　◇ 算法級（algorithm）——用語言提供的高級結構實現(xiàn)算法運行的模型；

　　◇ RTL級（Register Transfer Level）——描述數(shù)據(jù)在寄存器之間流動和如何處理、控制這些數(shù)據(jù)流動的模型。（以上三種都屬于行為描述，只有RTL級才與邏輯電路有明確的對應關系。）

　　◇ 門級（gate-level）——描述邏輯門以及邏輯門之間的連接模型。（與邏輯電路有確切的連接關系。以上四種，數(shù)字系統(tǒng)設計工程師必須掌握。）

　　◇ 開關級（switch-level）——描述器件中三極管和存儲節(jié)點以及它們之間連接的模型。（與具體的物理電路有對應關系，工藝庫元件和宏部件設計人員必須掌握。）

　　根據(jù)目前芯片設計的發(fā)展趨勢，驗證級和綜合抽象級也有可能成為一種標準級別。因為它們適合于IP核復用和系統(tǒng)級仿真綜合優(yōu)化的需要，而軟件（嵌入式、固件式）也越來越成為一個和系統(tǒng)密切相關的抽象級別。

　　目前，對于一個系統(tǒng)芯片設計項目，可以采用的方案包括以下幾種：

　　① 最傳統(tǒng)的辦法是，在系統(tǒng)級采用VHDL，在軟件級采用C語言，在實現(xiàn)級采用Verilog。目前，VHDL與Verilog的互操作性已經(jīng)逐步走向標準化，但軟件與硬件的協(xié)調(diào)設計還是一個很具挑戰(zhàn)性的工作，因為軟件越來越成為SOC設計的關鍵。該方案的特點是：風險小，集成難度大，與原有方法完全兼容，有現(xiàn)成的開發(fā)工具；但工具集成由開發(fā)者自行負責完成。

　?、?系統(tǒng)級及軟件級采用Superlog，硬件級和實現(xiàn)級均采用Verilog HDL描述，這樣和原有的硬件設計可以兼容。只要重新采購兩個Superlog開發(fā)工具SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM即可。該方案特點是風險較小，易于集成，與原硬件設計兼容性好，有集成開發(fā)環(huán)境。

　?、?系統(tǒng)級和軟件級采用SystemC，硬件級采用SystemC與常規(guī)的Verilog HDL互相轉換，與原來的軟件編譯環(huán)境完全兼容。開發(fā)者只需要一組描述類庫和一個包含仿真核的庫，就可以在通常的ANSI C++編譯器環(huán)境下開發(fā)；但硬件描述與原有方法完全不兼容。該方案特點是風險較大，與原軟件開發(fā)兼容性好，硬件開發(fā)有風險。

5 未來發(fā)展和技術方向

　　微電子設計工業(yè)的設計線寬已經(jīng)從0.25μm向 0.18μm變遷，而且正在向0.13μm和90nm的目標努力邁進。到0.13μm這個目標后，90%的信號延遲將由線路互連所產(chǎn)生。為了設計工作頻率近2GHz的高性能電路，就必須解決感應、電遷移和襯底噪聲問題（同時還有設計復雜度問題）。

未來幾年的設計中所面臨的挑戰(zhàn)有哪些？標準組織怎樣去面對？當設計線寬降到0.13μm，甚至更小時，將會出現(xiàn)四個主要的趨勢：

　　◇ 設計再利用；

　　◇ 設計驗證（包括硬件和軟件）；

　　◇ 互連問題將決定對時間、電源及噪聲要求；

　　◇ 系統(tǒng)級芯片設計要求。

　　滿足未來設計者需要的設計環(huán)境將是多家供應商提供解決方案的模式，因為涉及的問題面太廣且太復雜，沒有哪個公司或實體可以獨立解決。實際上，人們完全有理由認為，對下一代設計問題解決方案的貢獻，基礎研究活動與獨立產(chǎn)業(yè)的作用將同等重要。

　　以后，EDA界將在以下三個方面開展工作。

　　① 互用性標準。所有解決方案的基礎，是設計工具開發(fā)過程的組件——互用性標準。我們知道，EDA工業(yè)采用的是工業(yè)上所需要的標準，而不管標準是誰制定的。但是，當今市場的迅速發(fā)展正在將優(yōu)勢轉向那些提供標準時能做到快速適應和技術領先的組織。處于領先的公司正在有目的地向這方面投資，那些沒有參加開發(fā)這些標準的公司則必須獨自承擔風險。

　?、?擴展其高級庫格式（ALF）標準，使其包含物理領域的信息，是EDA開發(fā)商可以致力于解決互連問題的算法，從而使電路設計者在解決設計收尾工作時，不再受到這個問題的困擾。

　?、?制定新的系統(tǒng)級設計語言標準。標準化系統(tǒng)芯片的設計工具和語言，使SoC真正達到第三次微電子設計革命浪潮。

6 國內(nèi)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇

　　由于目前IT行業(yè)不景氣，以及ASIC設計復雜程度不斷增加，各EDA公司出現(xiàn)了合并調(diào)整的趨勢。Synopsys合了Avant！和Co-Design，Cadence合了GDA等，形成了幾大巨頭的局面。而各可編程器件廠商，像Xilinx和Altera，也積極與EDA緊密合作，因此，我們必須抓住這個時機，全力發(fā)展；不然，就要面對以后與壟斷巨頭進行競爭的事倍功半的不利局面。

　　針對目前硬件描述語言的發(fā)展和國家芯片制造生產(chǎn)的發(fā)展戰(zhàn)略，國內(nèi)如何在原EDA基礎薄弱的情況下迅速發(fā)展，使EDA成為一個合理、健康而必不可少的產(chǎn)業(yè)；將基礎研究活動與獨立產(chǎn)業(yè)的作用合理的結合，建議開展如下方面的工作：

　?、?為了實現(xiàn)我國的芯片設計自主化，必須夯實基礎，在結合VHDL的基礎上，推廣Verilog HDL設計語言，使硬件設計的底層單元庫可以自主研制；

　?、?根據(jù)目前芯片系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對系統(tǒng)級語言進行比較研究，在Suoerlog、SystemC等語言中做出選擇，并進行相關工具的推廣，以及與相關企業(yè)進行合作等；

　?、?深入HDL語言的綜合和仿真等模型的研究，努力在與國外合作的基礎上，建立自主知識產(chǎn)權的EDA公司；

　?、?積極加入EDA目前正在進行的標準化工作，做到了解、學習、應用、吸收、參與并重；

　?、?政府積極加入，重視產(chǎn)、學、研的合作，開展卓有成效的發(fā)展模式。