第三回
实现语所见非真 Verilog语言与其可综合性

古人有诗赞道：

“道德三皇五帝，语言二V相争，五霸七雄闹春秋，功过兴亡过手，设计几人操心，公司无数白首，前人播种后人收，都是硬件描述。”

练家子：古人？Verilog语言是由Gateway设计自动化公司的工程师于1983年年末创立的；VHDL语言诞生于1983年，1987年被美国国防部和IEEE确定为标准的硬件描述语言。这个古人也“古”不到哪里去。上板砖！

前排的：哎呦，砸到我了！谁家熊孩子乱扔垃圾……

1.二V相争龙虎斗

却说某日，上海张江路上来了一位帅小伙，但见他：二十四五岁，穿青挂皂，长得眉清目秀，面白如玉，干净利落，傲骨迎风，鼻梁上颤巍巍，一副深度大眼镜。挽着袖面，右手上一张明晃晃硬件设计聘用书。书中暗表，怀里揣着某著名大学硕士毕业证。此人就是江湖人称作妙手编程无人敌，百变代码无人懂的新大虾，道号小新。

但见此人沿路缓缓前行，忽然遇到一双阳岔道。

只见，左边树立一块路标，上书：“Verilog，人见人爱，花见花开”，下面几行小字“通用HDL，易学易用；与C语言类似；允许对同一个电路进行不同抽象层次的描述，包括开关级、门级、RTL级或者行为级描述电路；既可以设计电路，也可以描述电路的激励，用于电路的验证；IEEE标准，得到绝大多数EDA工具的支持；设计的工艺无关性，支持综合……”。

右侧那个路牌式样一般无二，金灿灿几个大字：“VHDL，有些事一旦错过就不在”，再向下也是介绍“用来描述逻辑设计的结构；采用类似高级语言的语句格式完成对硬件行为的描述，具备更强的模块化能力；VHDL调试过程灵活……”。

新少侠正在犹豫之间，看到路边有一茶馆，名曰“有间茶社”。茶馆内端坐一位掌柜，五短身材，满脸肥肉，一双小眼睛四处放电，一看便是包打听之类的人物。少侠忙进店，要了一壶上好的猴魁，顺便打探道：“敢问掌柜的，门前两条道，哪条方为正途？”

那掌柜微微一笑，说道：“少侠莫急，带我慢慢道来。前几日，我店来一大汉，手持哨棒，要了一十八碗好酒，一饮而尽，兴冲冲向着左边道路而去。又有一客官，坐定时浑如虎相，走动时有若狼形。在我壁上题诗一首，后面两句小的还记得是：‘他时若遂凌云志，敢笑武平不丈夫！’。此人向右边走了。”

“那后来呢？”

“后来？后来，都在H公司加班呢！”

“为何不同的方向都到一起了？此中有何蹊跷？”

“说来简单，君不知古语有云：殊途同归。”

这段书就叫：新手侠问道，胖掌柜戏说。

在业界两种语言孰优孰劣的争论由来已久，但是最终还是没有一个大家都接受的结论。贫僧总和稀泥：这种争论，就像魔兽游戏里面讨论部落和联盟哪个好一样。在看得见的未来，估计是永远没有尽头的。

这两者，有其共同的特点：

（1）能形式化地抽象表示电路的行为和结构；

（2）支持逻辑设计中层次与范围的描述；

（3）可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为和结构，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性；

（4）支持电路描述由高层到低层的综合转换；

（5）硬件描述和实现工艺无关；

（6）便于文档管理；

（7）易于理解和设计重用。

VHDL是由美国国防部主持研发的硬件描述语言，成为了第一个电气电子工程师学会标准的硬件描述语言，美国政府相关的项目都是基于VHDL。同时，Verilog则是由民间商业公司的私有产品发展为IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师协会）标准的。因此，在商用领域的市场占有量更大，设计人员和支持资源比VHDL更广。在美国大约有10万设计人员、200所大学教授采用Verilog硬件描述语言。

Verilog和VHDL都是业界广泛认可的、同为电气电子工程师学会标准的硬件描述语言。他们分别有各自的特点。

两种语言都能够在多个抽象层次对数字电路建模，并且可以与验证、仿真、综合工具协同工作。其中，Verilog的逻辑门级、晶体管级电路描述能力更强，VHDL不具备这样低级的描述能力；但是，另一方面，VHDL的系统级抽象描述能力则比Verilog强。

另外，由于Verilog与C语言在语法上有相似之处，因此具有C语言基础的设计人员更容易掌握它（这个特点是一个灾难，按照在下的个人观点。贫僧名言：“C语言程序设计工程师能看懂的 Verilog 代码，绝对不是好代码。”）。而 VHDL 设计人员需要具有Ada语言编程基础，并且学习周期比Verilog更长。

随着Verilog-A被合并到Verilog标准之中，而该部分后来成为了Verilog-AMS的一部分，该语言增加了对模拟电子系统的描述能力，因此它在混合信号集成电路中有着更广泛的应用。

我承认，以上都是贫僧兼职开茶馆的期间听来的，给大伙儿道听途说一下子，多多包涵。（台下：我说怎么越看越像那个胖掌柜……）

2.Verilog的前世今生

画外音：因为在下从事数字逻辑设计都是使用的Verilog，写起来顺手一些，所以以后例子什么的都用Verilog描述。子曾经说过：“说书的一张嘴，表不来两家事”。敬请各位VHDL高手见谅，不要口诛笔伐了，都是出来混的，相煎何太急啊。

先看几个历史性的瞬间，这些说法摘自《英雄Verilog编年史》。

1983 年年末，Verilog 是由 Gateway 设计自动化公司的工程师创立的。该公司的菲尔·莫比（Phil Moorby）完成了Verilog的主要设计工作。1990年，Gateway设计自动化被Cadence公司收购。

1990年代初，开放Verilog国际（Open Verilog International，OVI）组织（即现在的Accellera）成立，Verilog面向公有领域开放。

1992年，该组织寻求将Verilog纳入电气电子工程师学会标准。最终，Verilog成为了电气电子工程师学会1364—1995标准，即通常所说的Verilog—95。

2001年，对于Verilog-95扩展后的版本后来成为了电气电子工程师学会1364—2001标准，即通常所说的Verilog-2001。Verilog-2001是对Verilog-95的一个重大改进版本，它具备一些新的实用功能，例如敏感列表、多维数组、生成语句块、命名端口连接等。目前，Verilog-2001 是 Verilog 的最主流版本，被大多数商业电子设计自动化软件包支持。

2005年，Verilog再次进行了更新，即电气电子工程师学会1364—2005标准。该版本除了对上一版本进行了细微修正，还包括了一个相对独立的新部分，即Verilog-AMS。这个扩展使得传统的Verilog可以对集成的模拟和混合信号系统进行建模。容易与电气电子工程师学会1364—2005标准混淆的是加强硬件验证语言特性的System Verilog（电气电子工程师学会1800—2005标准）。它是Verilog-2005的一个超集，是硬件描述语言、硬件验证语言（针对验证的需求，特别加强了面向对象特性）的一个集成。

2009年，IEEE 1364—2005和IEEE 1800—2005两个部分合并为IEEE 1800-2009，成为了一个新的、统一的 System Verilog 硬件描述验证语言（Hardware Description and Verification Language，HDVL）。

历史课上完了，下一节课是《窝里烙革（Verilog）国家地理》。

就像日本国京都照搬大唐的长安一样，Verilog 基本都可以在数字电路设计里面找到对应。

数字电路里面有各种芯片，Verilog 里面有模块（Module）；数字电路里面有组合逻辑和时序逻辑，Verilog里面有线型变量（Wire）和寄存器变量（Reg）；数字电路里面有选择器，Verilog里面有if语句……

当年胖老板对新大虾说得好：

"……

新少侠汇了茶钱，抬腿便要向左行去，却被掌柜拦住去路。

‘少侠莫急，某家拦你并非为了剪径打劫。只是觉得与客官投缘，免费指路则个。左边一路下去，三山五关并一江。

三山是：‘寄存器传输级描述’峰、‘逻辑门级描述'山和‘晶体管级描述'岭，一山更比一山高。

五关为：数据关，主司数据类型定义；流程关，主司数据流向；运算关，主司数学运算；任务关，主司程序输入输出；编译关，主司文件替换。

一江就是时延河，无比宽广。

……"

限于时间，这种比绪论还绪论的讲座就不多说了。关于Verilog语言的书籍可谓汗牛充栋，大家不妨找本经典的自己瞧瞧。

3.言“芯”不一致的Verilog

（说书的正想把台下，小二传来老板的话：接着说，老板叫你接着说。唉，到底是资本家啊，狠。所谓浮动工时，我们这行没加班费的……）

不知各位在看书还有写程序的时候，是否想过：这句话如何实现啊？例如：看到 if语句，小脑瓜儿里面出现一个选择器。如果想过，那么恭喜你，你已经不是菜鸟了。如果还没有，那么恳切地建议你试着想一想，绝对有好处。

贫僧在学Verilog的时候，还是一个小沙弥。当时，想破了我的大头，也没想明白那个时延10 ps（＃10）在电路里面是如何严格控制的。直到一天，我遇到了Synopsys的烧火头陀，才被告知不是每个语句都会被实现。

于是，发一宏愿，要把所有Verilog语言关键字列成一个表记录其可综合性（可否在器件里实现）。佛主说“我不入地狱谁入地狱”，老僧说“我不做列表谁做列表”。结果呢，现在还在这里加班，没有成佛。给了自己一个偷懒的借口：HDL语言这个东西的掌握，在于精而不在于广，符合“一招鲜，吃遍天”的精髓。

这里给个小例子，假设仿真时间单位是ps：

在仿真里面，B信号变化10 ps之后，A变成与B一致。

实现后，就成了：

实现工具会自动忽略不可实现部分。

现在要写书了，没法偷懒了，命苦呗。只得不情愿地总结出了下面的表格。表 1.1里面给出了Verilog语言所有关键字的介绍，希望诸位笑纳。有心的人，可以裱了供起来，绝对有用。

表里“可综合”和“不可综合”的关键字自然无须细表，就是“与综合软件有关”比较令人费解。笔者认为，为了避免因为开发环境的变化而引起重新设计的工作量，还是不采用的为妙。再加播一条广告，下一讲里面会一点点讲解“可综合”关键字与数字电路的对应关系，大家可以前去观赏。

“假如综合器欺骗了你，不要抱怨不要生气；只能怪你学艺不精，或者说你中了仿真器的蛊毒”。在大伙的代码通过综合器进行综合的时候，会有一些东西被忽略掉。由于可综合性的要求以及数字电路自身的特点，有意无意地，综合器会对一些语句视而不见。这个不是问题，问题是大多数的综合器不去报警。因此，这就需要我们工程师自己好好把握了。

“不可综合”的关键字，被忽略，这个毋庸置疑；“与综合软件有关”关键字到底是保留还是忽略，就需要细心参考综合器的手册了；“可综合”的部分，也有被忽略的，这有点令人发指。没办法，其原因这里给大伙儿娓娓道来。

前面例子里面说了，所有时延信息会被忽略，书不重叙。

很多资料里面，都会毫不吝啬篇幅地介绍“阻塞赋值”与“非阻塞赋值”，搞得好像不了解这两个的区别都不好意思在业界混的感觉。有哪位大师能够告诉我这个后进：“阻塞赋值”在真实器件里面的实现原理？其实，综合后所有的赋值都是“非阻塞赋值”。这个还不是“忽略”，是故意“偷梁换柱”了。这个，初学者经常有“被愚弄”的感觉，可以说是罪大恶极，贻害万年。

实际上，即便在某家这些年的设计生涯中，在“可综合”的关键字里面常用到的也就一半多一点点。很多表1.1中“可综合”的关键字，都是“他认识我，我不认识他”。网友“eeleader”说得好：“30%的基本HDL语句就可以完成95%以上的电路设计，很多生僻的语句并不能被所有的综合软件所支持。在程序移植或者更换软件平台时，容易产生兼容性问题，也不利于其他人阅读和修改。建议多用心钻研常用语句，理解这些语句的硬件含义，这比多掌握几个新语法要有用得多。”

说完收工，回家抱娃，谁拦我，我和谁急。

等等，先请等等。贫僧这里还有一句话儿要交代。（“路边的野花不要采”？您顺便采，这个贫僧管不着。）还有一个疑问没有讲清楚，某家会睡不好的。这就叫：劳碌命。

那些不能综合以及尽量不要使用的关键字，是不是就没用了呢？当然不是，别以为以前设计这个语言的不是大牛。那些语句会在仿真里面有大用场。这里先提一句，后面有关仿真的一讲里面会详细介绍。

这正是：“描述语言两高峰，粉丝相争乱纷纷。说书贫僧辩分明，某家说与有缘人。组合时序是根本，谁言设计筋一根？综合与否须分辨，逻辑设计方入门。” KKa2RaR0EFv2ZP0gD5++HhNkS4rwD6EO5vU77ntaHLxRkx0EVSWadK1xXX1B7sOQ