【FPGA至简设计原理与应用】第一篇 第三章硬件描述语言Verilog第2节仿真和综合

明德扬肖老师

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第2节 综合和仿真

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1. 本节主要介绍使用综合器对Verilog代码进行解释并将代码转化成实际电路来表示，最终产生实际电路（网表），即综合；为了避免在编写好代码、综合成电路、烧写到FPGA后才发现问题，此时再去定位问题就会非常的地困难，所以，在综合前，设计师可以通过仿真软件对代码进行仿真测试，检测出BUG并将其解决，最后再将程序烧写进FPGA，即仿真；在Veriglog语言中，有些语法结构只是以仿真测试为目的，是不能与实际硬件电路对应起来的，也称之为不可综合语法，本节整理了不可综合或者不推荐使用的代码。
2. ALTERA和VIVADO文档

2.1 综合

    Verilog是硬件描述语言，顾名思义，就是用代码的形式描述硬件的功能，最终在硬件电路上实现该功能。在Verilog描述出硬件功能后需要使用综合器对Verilog代码进行解释并将代码转化成实际的电路来表示，最终产生实际的电路，也被称为网表。这种将Verilog代码转成网表的工具就是综合器。

     上图左上角是一段Verilog代码，该代码实现了一个加法器的功能。在经过综合器解释后该代码被转化成一个加法器电路。QUARTUS、ISE和VIVADO等FPGA开发工具都是综合器，而在集成电路设计领域常用的综合器是DC。

2.2 仿真

  

    在FPGA设计的过程中，不可避免会出现各种BUG。如果在编写好代码、综合成电路、烧写到FPGA后才发现问题，此时再去定位问题就会非常地困难。而在综合前，设计师可以在电脑里通过仿真软件对代码进行仿真测试，检测出BUG并将其解决，最后再将程序烧写进FPGA。一般情况下可以认为没有经过仿真验证的代码，一定是存在BUG的。

    为了模拟真实的情况，需要编写测试文件。该文件也是用Verilog编写的，其描述了仿真对象的输入激励情况。该激励力求模仿最真实的情况，产生最接近的激励信号，将该信号的波形输入给仿真对象，查看仿真对象的输出是否与预期一致。需要注意的是：在仿真过程中没有将代码转成电路，仿真器只是对代码进行仿真验证。至于该代码是否可转成电路，仿真器并不关心。

    由此可见，Verilog的代码不仅可以描述电路，还可以用于测试。事实上，Verilog定义的语法非常之多，但绝大部分都是为了仿真测试来使用的，只有少部分才是用于电路设计，详细可以参考本书的“可综合逻辑设计”一节。Verilog中用于设计的语法是学习的重点，掌握好设计的语法并熟练应用于各种复杂的项目是技能的核心。而其他测试用的语法，在需要时查找和参考就已经足够了。本书旨在方便本科、研究生的教学，因此将重点讲解设计用的语法。

2.3 可综合设计

    Verilog硬件描述语言有类似高级语言的完整语法结构和系统，这些语法结构的应用给设计描述带来很多方便。但是，Verilog是描述硬件电路的，其建立在硬件电路的基础之上。而有些语法结构只是以仿真测试为目的，是不能与实际硬件电路对应起来的。也就是说在使用这些语法时，将一个语言描述的程序映射成实际硬件电路中的结构是不能实现的，也称为不可综合语法。

    综合就是把编写的rtl代码转换成对应的实际电路。比如编写代码assign a=b&c；EDA综合工具就会去元件库里调用一个二输入与门，将输入端分别接上b和c，输出端接上a。

同样地，如果设计师编写了一些如下所示的语句

assign a=b&c;

assign c=e|f;

assign e=x^y;

……

    综合工具就会像搭积木一样把这些“逻辑”电路用一些“门”电路来搭起来。当然，工具会对必要的地方做一些优化，比如编写一个电路assing a=b&~b，工具就会将a恒接为0，而不会去调用一个与门来搭这个电路。

   

    综上所述，“综合”要做的事情有：编译rtl代码，从库里选择用到的门器件，把这些器件按照“逻辑”搭建成“门”电路。

    不可综合，是指找不到对应的“门”器件来实现相应的代码。比如“#100”之类的延时功能，简单的门器件是无法实现延时100个单元的，还有打印语句等，也是门器件无法实现的。在设计的时候要确保所写的代码是可以综合的，这就依赖于设计者的能力，知道什么是可综合的代码，什么是不可综合的代码。对于初学者来说，最好是先记住规则，遵守规则，先按规则来设计电路并在这一过程中逐渐理解，这是最好的学习路径。

下面表格中列出了不可综合或者不推荐使用的代码。

下表是笔者推荐使用的设计。