1、如何使用Verilog HDL描述可綜合電路

Verilog 有什么奇技淫巧？我想最重要的是理解其硬件特性。Verilog HDL語言僅是對已知硬件電路的文本描述。所以編寫前：

對所需實現(xiàn)的硬件電路“胸有成竹”；

牢記可綜合Verilog HDL與電路結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)的關(guān)系；

確認(rèn)電路指標(biāo)是什么：性能？面積？

硬件思維方式，代碼不再是一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊；

達(dá)到以上幾點，就可以確保寫出行云流水般的高質(zhì)量代碼。

關(guān)于代碼與硬件電路的對應(yīng)關(guān)系，參見如下圖片，引用自Synopsys官方文檔：

2、自動化生成代碼

如果一定要有奇淫技巧的話，那么代碼自動化生成技術(shù)就一定可以配得上這個稱號。

近十年來，數(shù)字集成電路規(guī)模和復(fù)雜度飛速提高。這給數(shù)字集成電路工程師帶來了不僅是腦力上的勞動的增加，更多是體力重復(fù)性工作的增多。傳統(tǒng)的手工代碼的編寫存在很多弊端：

對于模塊的代碼工程師，要面對許多設(shè)計文件。而這些文件之間可能相互不一致，給代碼的編寫帶來了很多的困擾。

代碼工程師需要將這些文件中的很多設(shè)計信息體現(xiàn)在代碼中，其中一些信息是充分性的謄寫。這不僅帶來了很多枯燥復(fù)雜的工作量而且人工參與過多也容易引入很多粗心帶來的錯誤。

由于各個模塊連接信號之多導(dǎo)致信號文件的手寫工作量很大。每個信號文件小則幾千行大則上萬行信息。而且一旦有信號連接的變動需要相應(yīng)修改多個模塊的信號文件。

如果設(shè)計文件改動相應(yīng)的設(shè)計文件很容易出現(xiàn)哪幾處忘記改動的問題。

而腳本語言又有著強大的處理文本的能力。將腳本語言應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計中，作為設(shè)計文檔和EDA工具的黏合劑，能夠大大增加設(shè)計的速度。具體方法為：使用腳本語言從設(shè)計文檔中提取有用的信息來生成想要的Verilog HDL代碼，從而大大減少了IC設(shè)計者的工作量，并提高了代碼的質(zhì)量。

其好處有：

很好的設(shè)計一致性：保證了設(shè)計概念一旦變動即設(shè)計文檔稍加修改，對應(yīng)的VHDL代碼就會相應(yīng)的改變，不需要工程師手動改變代碼。

兼容性強：該自動生成代碼工具中設(shè)置了一個配置文件，供設(shè)計工程師的配置修改。對于不同的項目，通過修改配置該文件可以直接是代碼相應(yīng)變化，有一定的靈活性。此外，該自動生成代碼工具已經(jīng)應(yīng)用于兩個以上項目中，實踐證明有很好的兼容性。

代碼維護方便：對于設(shè)計代碼的更新或升級，只需要從新運行下該工具即可，不需要一點點該寫代碼。

使用簡單：集成大量腳本，使用工具時只需要運行一條命令即可。

本文將舉一個Perl語言在代碼自動生成中的應(yīng)用實例，下圖為一款SoC芯片中全芯片的時鐘控制電路框圖：

時鐘控制模塊實現(xiàn)配置PLL參數(shù)、選擇輸出時鐘源、時鐘分頻、時鐘門控、bank切換、輸出時鐘等功能。3G、4G是系統(tǒng)通訊單元，向時鐘控制單元申請時鐘。PLLs是時鐘源，是時鐘控制單元的輸入。時鐘控制單元有七大主要模塊，分別為時鐘源控制模塊、bank切換模塊、分頻模塊、時鐘門控模塊、多路選擇器模塊、寄存器、3G4G時鐘握手模塊。時鐘源控制模塊控制時鐘源的大小、開關(guān)。bank切換模塊使時鐘控制單元能正常工作在不同的電壓下。

時鐘控制單元的的工作機理如下：首先，外部模塊向時鐘控制單元請求時鐘，并修改并寫寄存器狀態(tài)；時鐘源控制單元根據(jù)寄存器中的內(nèi)容配置時鐘源Plls，并提供了所有的時鐘源。然后，分頻器完成這些時鐘源預(yù)分頻的操作，并將其作為多路選擇器的時鐘源。而多路選擇器則從輸入的時鐘源中選擇輸出主時鐘。主時鐘通過分頻模塊產(chǎn)生所有的分頻使能信號，這個過程中，需根據(jù)寄存器所配置的分頻數(shù)來輸出不同的頻率的時鐘。同時，根據(jù)系統(tǒng)的實時需求，通過由SPCU控制的bank選擇器完成門控時鐘的實現(xiàn)，降低系統(tǒng)的功耗。

以上是時鐘控制模塊的功能分析，那么如何通過代碼自動生成技術(shù)來實現(xiàn)呢？

（1）首先，我們把這些模塊梳理下，形成一個自頂向下的層次結(jié)構(gòu)，如下圖。如圖中所示，頂層模塊完成對底層模塊的連接，底層模塊實現(xiàn)時鐘控制單元的功能。

針對代碼自動生成問題，對于頂層模塊來說，承擔(dān)的功能是自動地將底層數(shù)十個模塊連接起來。對于底層模塊來說，需要根據(jù)不同的功能定制需求，來自動化地生成所有功能性的代碼，然后被頂層調(diào)用和連接。這樣的話，就存在兩個問題：[1]自動生成頂層模塊？[2]自動生成底層模塊？

（2）頂層模塊：通常來說，對于一個復(fù)雜的SoC芯片，會有萬數(shù)量級的信號需要進行匹配和連接。而能夠自動生成的信號文件中的信號連接有兩個特點：一是信號命令規(guī)律性強二是信號的連接關(guān)系可以從設(shè)計文件中體現(xiàn)。滿足了這兩點，便可以實現(xiàn)信號文件的自動化。

（3）底層模塊此處即可體現(xiàn)Perl腳本強大的數(shù)據(jù)處理功能，針對該問題，將腳本劃分為三類：提取腳本、生成腳本和集成腳本三種。提取腳本用來從輸入文件中提取有用的設(shè)計信息到存儲單元中；生成腳本從存儲單元獲得有用信息來生成各個功能模塊的代碼；集成腳本將所有的腳本集成在一個腳本里，方便統(tǒng)一化使用。以下是代碼生成的腳本流程圖：

如圖所示，輸入的文件都是excel和文本形式，Perl腳本首先讀取技術(shù)文檔，從中解析出時鐘模塊所需的連接、頻率、時鐘域等信息，基于此信息建立一個數(shù)據(jù)庫。然后，根據(jù)實際芯片的具體需求，即配置文件，生成相應(yīng)的自動化控制模式和需求。最終，依據(jù)配置文件和數(shù)據(jù)庫，完成所有所需verilog代碼的生成。需要注意的是，并不是所有的代碼都可以自動生成，有些結(jié)構(gòu)特殊的電路，只能通過手工編寫來完成。所以，自動編寫通常完成較為規(guī)整的、有規(guī)律性的代碼，手工書寫作為補充。這樣即可保證得到高質(zhì)量的代碼。

總結(jié)

Perl語言強大的正則和hash能力成就了代碼自動生成技術(shù)，在這個領(lǐng)域，其他腳本語言黯然失色。當(dāng)然，使用Python也可以同樣的功能。

但是，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠智能。

短期內(nèi)，如何使得代碼生成技術(shù)更加友好，更方便移植和管理？如何更加徹底地剝離人工干預(yù)的工作，腳本自動決定哪些電路需要自動生成的代碼？

在更遠(yuǎn)的未來，是否能夠拋棄掉太糾結(jié)于細(xì)節(jié)的Verilog語言？高級語言綜合技術(shù)HLS、Chisel、AI自動生成代碼和電路是否是更好的選擇？

原文標(biāo)題：書寫Verilog 有什么奇技淫巧

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