淺談ＨＤＬ的現(xiàn)狀與發(fā)展

淺談ＨＤＬ的現(xiàn)狀與發(fā)展

摘要：從數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的性質(zhì)出發(fā)，結(jié)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(jié)構(gòu)和設(shè)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(chǔ)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(guān)鍵詞：ASIC；硬件描述語言；芯片系統(tǒng)

中圖分類號：TN8文獻標(biāo)識碼：E文章編號：1006－0510(2008)12084－03

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(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計變得越來越重要。傳統(tǒng)意義上的硬件設(shè)計越來越傾向于與系統(tǒng)設(shè)計和軟件設(shè)計結(jié)合。硬件描述語言為適應(yīng)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、cynlibc++等等。究交選擇哪種語言進行設(shè)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(shè)計做一些有意義的工作，也為發(fā)展我們未來的芯片設(shè)計技術(shù)打好基礎(chǔ)。

1、目前HDL發(fā)展?fàn)顩r

目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、CynlibC++、CLevel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(shè)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(shè)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?qū)⑹褂弥械囊环N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(jié)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(shè)計語言展開了生動、激烈的辯論。各方人士各持己見：為Verilog辯護者認為，開發(fā)一種新的設(shè)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(fù)雜性需要新的設(shè)計方法；C語言的贊揚者認為，Verilog是硬件設(shè)計的匯編語言，而編程的標(biāo)準(zhǔn)很快就會是高級語言，Cynlibc++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Supedog的捍衛(wèi)者認為，Superlog是Verilog的擴展，可以在整個設(shè)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(dāng)然，以上所有的討論都沒有提及模擬設(shè)計。如果想設(shè)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VerilogHDL－A，既要求能夠描述門級開關(guān)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

2．1VHDL

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(In，stituteofElectricalandElectro－nicsEngineers)將VHDL制定為標(biāo)準(zhǔn)。參考手冊為IEEEVHDL語言參考手冊標(biāo)準(zhǔn)草案1076/8版，于1987年批準(zhǔn)，稱為IEEE1076－1987。應(yīng)當(dāng)注意，起初VHDL只是作為系統(tǒng)規(guī)范的一個標(biāo)滯，而不足為設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化，不具有晶體管開關(guān)級的描述能力和模擬設(shè)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(shè)計，VHDL是較為合適的。

實質(zhì)上，在底層的VHDL設(shè)計環(huán)境是由VerilogHDL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(zhǔn)備成立專門的工作組來協(xié)調(diào)VHDL和VerilogHDL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。

2．2VerilogHDL

VenlogHDL是在1983年，由GDA(GateWayDesignAu－tomation)公司的PhilMoorby首創(chuàng)的。PhilMoorby后來成為Verilog－XL的主要設(shè)計者和Cadence公司的第一合伙人。在1984“1985年，PhilMoorby設(shè)計出了第一個名為Venlog－XL的仿真器；1986年，他對VerilogHDL的發(fā)展義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，VerilogHDL語言得到迅速發(fā)展。1989年，Cadence公司收購了GDA公司，VerilogHDL語言成為Cadence公司的私有財產(chǎn)。1990年，Cadence公司決定公開VerilogHDL語言，于是成立了OVI(OpenVerilogInternaUonal)組織，負責(zé)促進VerilogHDL語言的發(fā)展?；赩erilogHDL的優(yōu)越性，IEEE于1995年制定了VerilogHDL的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，即VerilogHDL1364－1995；2001年發(fā)布了VerilogHDL1364－2001標(biāo)準(zhǔn)。在這個標(biāo)準(zhǔn)中，加入了VerilogHDL－A標(biāo)準(zhǔn)，使Verilog有了模擬設(shè)計描述的能力。

2．3Superlog

開發(fā)一種新的硬件設(shè)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(chǔ)上，結(jié)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(shè)計語言標(biāo)準(zhǔn)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PhilMoorby和PeterFlake等硬什描述語言專家，在一家叫Co－DesignAutomation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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(shè)計公司用Superlog來進行芯片設(shè)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。2．4SystemC

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，SoC已經(jīng)成為當(dāng)今集成電路設(shè)計的發(fā)展方向。在系統(tǒng)芯片的各個設(shè)計中，像系統(tǒng)定義、軟硬件劃分、設(shè)計實現(xiàn)等，集成電路設(shè)計界一直在考慮如何滿足SoC的設(shè)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(shè)計語言。

systemC正是在這種情況下，由Synopsys公司和CoWare公司積極響應(yīng)目前各方對系統(tǒng)級設(shè)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、lP公司、半導(dǎo)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(jié)構(gòu)和設(shè)計方法

3．1SystemC

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(yīng)的類庫，可以通過通常的ANSIc++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。

3．2Supeflog

Superlog集合了Verilog的簡潔、c語言的強大、功能驗證和系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)設(shè)計等特征，是一種高速的硬件描述語言。

①Verilog95和Verilog2K。Superlog是VerilogHDL的超集，支持最新的Verilog2K的硬件模型。

②c和c++語言。Superlog提供c語言的結(jié)構(gòu)、類型、指針，同時具有C++面對對象的特性。

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

④強大的驗證功能。自動測試基準(zhǔn)，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－DesignAu－mmation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同時可以結(jié)合具它的EDA工具進行開發(fā)。

3．3Verilog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叫以查閱參考，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：

(1)系統(tǒng)級(system)－用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)算法運行的模型：

(2)算法級(aIgorithm)－用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)算法運行的模型：

(3)RTL級(RegisterTransferLevel)－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。

(4)門級(gate－level)－描述邏輯門以及邏輯門之間的連接模型。

(5)開關(guān)級(swish－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。

根據(jù)目前芯片設(shè)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(biāo)準(zhǔn)級別。因為它們適合于IP核復(fù)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(guān)的抽象級別。

目前，對于一個系統(tǒng)芯片設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化，但軟件與硬件的協(xié)凋設(shè)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(shè)計的關(guān)鍵。該力案的特點是：風(fēng)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(zé)完成。

②系統(tǒng)級及軟件級采用Superlog，硬件級和實現(xiàn)級均采用VerilogHDL描述，這樣和原有的硬件設(shè)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(fēng)險較小，易于集成，與原硬件設(shè)計兼容性好。有集成開發(fā)環(huán)境。

③系統(tǒng)級和軟件級采用SystemC，硬件級采用SystemC與常規(guī)的VerilogHDL互相轉(zhuǎn)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ANSIc++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(fēng)險較大，與原軟件開發(fā)兼容性好，硬件開發(fā)有風(fēng)險。

5、未來發(fā)展和技術(shù)方向

微電子設(shè)計工業(yè)的設(shè)計線寬已經(jīng)從0.251um向0.18um變遷，而且正在向0.13um和90nm的目標(biāo)努力邁進。到0.13um這個目標(biāo)后，90％的信號延遲將由線路互連所產(chǎn)生：為了設(shè)計工作頻率近2GHz的高性能電路，就必須解決感應(yīng)、電遷移和襯底噪聲問題(同時還有設(shè)計復(fù)雜度問題)。

未來幾年的設(shè)計中所面臨的挑戰(zhàn)有哪些?標(biāo)準(zhǔn)組織怎樣去面對?當(dāng)設(shè)計線寬降到0.13um，甚至更小尉，將會出現(xiàn)四個主要的趨勢：設(shè)計再利用；設(shè)計驗證(包括硬件和軟什)；互連問題將決定剝時間、電源及噪聲要求；系統(tǒng)級芯片設(shè)計要求。

滿足來來設(shè)計者需要的設(shè)計環(huán)境將是多家供應(yīng)商提供解決方案的模式，因為涉及的問題面太廣且太復(fù)雜，沒有哪個公司或?qū)嶓w可以獨立解決。實際上，人們完全有理由認為，對下一代設(shè)計問題解決方案的貢獻，基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)。所有解決方案的基礎(chǔ)，是設(shè)計工具開發(fā)過程