Verilog

Verilog, Verilog HDL (англ. Verilog Hardware Description Language) — это язык описания аппаратуры, используемый для описания и моделирования электронных систем. Verilog HDL, не следует путать с VHDL (конкурирующий язык), наиболее часто используется в проектировании, верификации и реализации (например, в виде СБИС) аналоговых, цифровых и смешанных электронных систем на различных уровнях абстракции.

Verilog
Класс языка	Язык описания аппаратуры
Появился в	1983-1984
Автор	Phil Moorby, Prabhu Goel
Расширение файлов	.v
Выпуск	IEEE 1364-2005 (7 апреля 2006)[1]
Испытал влияние	Си, Паскаль[2] и Ада[2]

Разработчики Verilog сделали его синтаксис очень похожим на синтаксис языка C, что упрощает его освоение. Verilog имеет препроцессор, очень похожий на препроцессор языка C, и основные управляющие конструкции «if», «while» также подобны одноимённым конструкциям языка C. Соглашения по форматированию вывода также очень похожи (см. printf).

Описание аппаратуры, написанное на языке Verilog (как и на других HDL-языках) принято называть программами, но в отличие от общепринятого понятия программы как последовательности инструкций, здесь программа задает структуру системы. Также для языка Verilog не применим термин «выполнение программы».

Обзор

Существует подмножество инструкций языка Verilog, называемое синтезируемым. Модули, которые написаны на этом подмножестве, называют RTL (англ. register transfer level — Уровень регистровых передач). Они могут быть физически реализованы с использованием САПР синтеза. Данные САПР по определенным алгоритмам преобразуют абстрактный исходный код на Verilog в netlist — логически эквивалентное описание, состоящее из элементарных логических примитивов (например, AND, OR, NOT, триггеры), которые доступны в выбранной технологии производства СБИС или программирования БМК и ПЛИС. Дальнейшая обработка netlist в конечном итоге порождает фотошаблоны для литографии или прошивку для FPGA.

История

Создание

Verilog был создан Филом Мурби (Phil Moorby) и Прабху Гоэлем (Prabhu Goel) зимой 1983–1984 годов в фирме Automated Integrated Design Systems (с 1985 года Gateway Design Automation) как язык моделирования аппаратуры. В 1990 году Gateway Design Automation была куплена Cadence Design Systems. Компания Cadence имеет права на логические симуляторы Gateway’s Verilog и Verilog-XL simulator.

Verilog-95

Во время увеличивающейся популярности языка VHDL, Cadence приняла решение добиться стандартизации языка. Cadence передала Verilog в общественное достояние. Verilog был послан в IEEE и принят как стандарт IEEE 1364—1995 (часто называемый Verilog-95).

Verilog 2001

Дополнения к языку Verilog-95 были приняты как IEEE 1364—2001 (или Verilog-2001).

Verilog-2001 является значительно обновленным по сравнению с Verilog-95. Во-первых, он добавил поддержку знаковых переменных (в формате дополнительного кода). Прежде авторам кода приходилось реализовывать знаковые операции с использованием большого количества битовых логических операций. Та же функциональность на Verilog-2001 описывается встроенными операторами языка: +, -, /, *, >>> Был улучшен файловый ввод-вывод. Для улучшения читаемости кодов был немного изменен синтаксис, например always @*, переопределение именованных параметров, объявление заголовков функций, задач и модулей в стиле Си.

Verilog-2001 является самым часто используемым диалектом языка и поддерживается в большинстве коммерческих САПР для электроники (см. EDA).

Verilog 2005

Verilog 2005 (стандарт IEEE 1364—2005) добавил небольшие исправления, уточнения спецификаций и несколько новых синтаксических конструкций, например, ключевое слово uwire.

Отдельная от стандарта часть, Verilog-AMS, позволяет моделировать аналоговые и аналого-цифровые устройства.

SystemVerilog

Основная статья: SystemVerilog

SystemVerilog является надмножеством Verilog-2005, с многими новыми возможностями для верификации и моделирования разработок.

Пример

Программа Hello, world! (не является синтезируемой)

module main;
  initial 
    begin
      $display("Hello world!");
      $finish;
    end
endmodule

Verilog 2001 описание: два простых последовательно соединённых триггера:

module toplevel
(input clock,
 input reset,
 input d,
 output reg flop2
);
 
 reg flop1;
 always @ (posedge reset, posedge clock)
 if (reset)
   {flop1,flop2} <= 2'b00;
 else
   begin
     flop1 <= d;
     flop2 <= flop1;
   end
endmodule //toplevel

Стандарты

• IEEE Std 1364-1995 - первый стандарт
• IEEE Std 1364—2001 — стандарт на Verilog 2001
• IEEE 1364-2005 - обновленный стандарт
• IEEE 1800-2005, IEEE 1800-2012] - IEEE Standard for SystemVerilog
• IEEE P1364 — рабочая группа 1364 — бывший разработчик Verilog.
• IEEE P1800 — рабочая группа 1800 — разработчик SystemVerilog и преемник рабочей группы 1364.

Конструкции языка

Типы данных

Verilog содержит два базовых типа данных: wire и reg. Оба эти типа могут принимать 4 возможныe значения при симуляции Verilog программы:

• 0
• 1
• Х — «неизвестное значение». Это значение используется только для симуляции, в реальной аппаратуре будет 0 или 1.
• Z — «состояние высокого сопротивления», то есть отсутствие сигнала.

Тип wire используется для описания цепей, reg для регистров и переменных. Оба эти типа могут также быть использованы при описании многобитовых данных:

wire w1;
wire[31:0] bus; // 32-битовая шина
reg r1;
reg[7:0] bitvector; // 8-битовый регистр

Переменные типа reg имеют начальное значение 'X'. Цепи передают значения между регистрами. Если цепь не присоединена ни к какому регистру, она будет иметь значение 'Z'.

Verilog также содержит массивы, которые позволяют моделировать память:

reg[31:0] memory[0:1023]; // 1024 словa памяти, каждое слово содержит 32 бита.

Кроме этого, Verilog содержит еще следующие типы данных:

• integer — то же самое, что «reg[31:0]», при этом в операциях учитывается знак (старший бит)
• real
• time
• realtime

Initial и Always

Verilog содержит два вида блоков, которые могут производить вычисления: «initial»-блок и «always»-блок.

«initial»-блок определяет, какие действия должны быть сделаны при старте программы. Этот блок не является синтезируемым и обычно используется для тестирования. Например:

module testbench;
  reg clock;
  reg[31:0] in1, in2;
  reg[63:0] out;

  // Тестируемый модуль
  multiplier mult(clock, in1, in2, out);

initial begin
  // Тестовые данные.
  in1 = 4;
  in2 = 20;

  // Подождать, пока результат будет готов.
  #10;

  // Вывести результат вычислений.
  $display("result=%d", out);

  $finish();
end 
endmodule

Программа может содержать несколько «initial»-блоков, все они исполняются параллельно.

Операторы

Тип	Символы	Выполняемая операция
Побитовые	~	Инверсия
	&	Побитовое AND
	|	Побитовое OR
	^	Побитовое XOR
	~^ или ^~	Побитовое XNOR (EQU)
Логические	!	NOT
	&&	AND
	||	OR
Редукция	&	Редуцированное AND
	~&	Редуцированное NAND
	|	Редуцированное OR
	~|	Редуцированное NOR
	^	Редуцированное XOR
	~^ или ^~	Редуцированное XNOR
Арифметические	+	Сложение
	-	Вычитание
	-	2’s complement
	*	Умножение
	/	Деление
	**	Экспонента (*Verilog-2001)
Отношение	>	Больше
	<	Меньше
	>=	Больше либо равно
	<=	Меньше либо равно
	==	Логическое равенство
	!=	Логическое неравно
	===	4-state логическое равенство
	!==	4-state логическое неравно
Сдвиг	>>	Логический сдвиг вправо
	<<	Логический сдвиг влево
	>>>	Арифметический сдвиг вправо (*Verilog-2001)
	<<<	Арифметический сдвиг влево (*Verilog-2001)
Сцепление	{ , }	Сцепление
Копирование	{n{m}}	Копирует m значение n раз
Условие	? :	Условие

Открытое аппаратное обеспечение, использующее Verilog

На языке Verilog созданы описания открытых микропроцессоров OpenSPARC T1, T2, S1 Core и OpenRISC. Их исходный код доступен под лицензиями LGPL и GPL.

Список приложений, поддерживающих Verilog

• Quartus II — среда моделирования и отладки; работает, как минимум, под Windows.

• Icarus Verilog — open source — приложение для моделирования и синтеза. Работает под Linux, Windows, Mac OS X, FreeBSD и др. страница проекта
• VCS — среда моделирования и отладки; работает как под Unix, так и под Windows.
• LogicSim — среда моделирования и отладки, работает под Windows.
• Incisive HDL — среда моделирования и отладки; работает как под Unix, так и под Windows.
• ModelSim — среда моделирования и отладки; работает как под Unix, так и под Windows.
• Veritak — редактор, интегрированный компилятор/симулятор, транслятор с VHDL в Verilog, работает под управлением Windows.
• Verilator — open-source высокопроизводительный компилятор Verilog.
• Verilog-Perl — набор Perl-модулей для предобработки и построения других инструментов.
• vmodel — open-source средство для моделирования Verilog в MATLAB, основанное на Verilator.
• Verilog for DMS — набор инструментов для реализации произвольных методов анализа и преобразования в Verilog.
• VSPCompiler — инструмент для компилирования синтезируемого RTL-описания в C/C++/SystemC библиотеку.
• VTOC — инструмент для компилирования синтезируемого RTL-описания в C++/SystemC библиотеку.
• Wave VCD Viewer — программа для просмотра VCD-файлов. Verilog-симулятор может порождать VCD-файл, содержащий результаты моделирования. Wave VCD Viewer позволяет разработчику видеть результаты моделирования в виде временных диаграмм. Программа работает под управлением Windows.
• GTKWave — open-source программа для просмотра временных диаграмм, которая среди прочего позволяет просматривать VCD-файлы.
• Design and Verification Tools (DVT) — IDE для SystemVerilog, Verilog, и VHDL на основе Eclipse.
• TkGate — средство моделирования и симуляции, основанное на Verilog.

См. также

• VHDL
• Verilog-AMS
• SystemC
• SystemVerilog

Схожие языки

• VHDL
• SystemC
• SystemVerilog
• OpenVera
• Specman E
• JHDL

Литература

• Соловьев В. В. Основы языка проектирования цифровой аппаратуры Verilog. — М.: Горячая линия — Телеком, 2014. — 208 с. — ISBN 978-5-9912-0353-1.

Примечания

1. https://ieeexplore.ieee.org/document/1620780
2. https://www.physi.uni-heidelberg.de/~angelov/VHDL/VHDL_SS09_Teil10.pdf

Ссылки

• Reusable-code на Verilog Архивная копия от 14 июля 2014 на Wayback Machine — применение принципа повторного использования кода применительно к языку программирования Verilog. fpga.in.ua
• Симулятор Verilog от Tachyon DA — Компания Tachyon DA открыла код полноценного симулятора Verilog