《硬件描述语言简介》

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基于硬件描述语言的简易CPU设计

作者：肖海燕 杨建波

来源：《现代电子技术》2011年第22期

摘要：基于可编程逻辑器件FPGA，利用Verilog硬件描述语言，采用自顶向下和模块化的设计方法，先将CPU的每个模块进行软件设计与仿真，再将每个模块综合起来，设计并验证了一种简单CPU逻辑控制器。对CPU关键功能模块进行了原理分析，并通过Max+Plus Ⅱ软件编译适配，给出了时序仿真图。同时在硬件上实现了简单指令控制的流水灯实例，完成了完整的Verilog硬件描述语言的简易CPU设计。该设计具有很强的灵活性与可靠性，只要适当扩展或修改指令集就可以使CPU实现更多的功能。

关键词：FPGA； Verilog； CPU； 时序仿真

中图分类号：； TP282文献标识码：A文章编号：

Design of Simple CPU Based on Hardware Description Language

（Institute of Physics and Electronics, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China）

Abstract：

design method of modularization are adopted to achieve the design of a simple CPU logic controller,

in which the software design and simulation are conducted for each module of CPU, and then each

module is synthesized. The principle analysis is performed for the key function modules of CPU. The

- 1 - 硬件描述语言

硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，HDL），是一种特殊的编程语言，旨在帮助设计人员（称作HDL程序员）创建电子系统的软硬件。它支持现在最先进的电子系统，并能够提供开发方案，以更快地实现目标，更有效地使用更少的资源，并且更稳定地完成任务。

HDL是一种高级程序设计语言，由若干种编程语言构成，其中包括Verilog，VHDL, SystemVerilog等。HDL语言描述技术主要用于描述单片机或模拟集成电路（IC）中的复杂电路结构和功能。它以硬件参数、原语和结构描述为基础，能够描述逻辑系统的底层电路，比如门逻辑、触发器、多路选择器、比较器等。

HDL具有许多优点，能够极大地降低电路设计的困难程度，同时简化设计的复杂性和过程，可以提高设计效率和提升最终产品的性能。HDL提供方便的调试和测试功能，可以支持电路设计过程管理，减少产品设计和开发的工作量。此外，HDL能够提供标准、可重用的描述，以及可读性好的语法，可以显著简化设计过程。

HDL的另一个重要优点是，它可以帮助HDL程序员创建更复杂、更现代化的电路设计，而不需要编译器和其它复杂的程序设计开发工具。HDL可以提供电路设计过程中所需的所有功能，包括定义电路功能，输入输出管理，系统级构建，网络结构，状态机控制，信号处理，数据传输等。它还利用可视化技术以及带有标准和完善的接口，能够更快地识别和定位问题，大大降低了调试产品的 - 2 - 时间。

HDL的另一个优点在于，它具有许多可扩展性，无需为每个项目开发新的硬件。HDL能够有效地管理工厂现有的系统设计，例如将新的硬件模块添加到已有的电路框架中，并且能够有效地利用已有的硬件，尽可能减少更改硬件布局的时间。

当今，HDL已经成为电子行业中最专业化的编程语言，并被广泛应用于微处理器、嵌入式系统、数字信号处理（DSP）、模拟信号处理（ASP）、网络交换、存储器系统，以及其它领域。HDL在加速设计过程、改善产品质量、减少产品成本方面十分有用，是现今许多企业进行电子产品设计的重要工具。

硬件描述语言HDL的现状与发展

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硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为电路布线结构。

目前，这种高层次(high-level-design)的方法已被广泛采用。据统计，目

前在美国硅谷约有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。

硬件描述语言HDL的发展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬件描述语言，对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是，这些语言一般各自面向特定的设计领域和层次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL语言适应了这种趋势的要求，先后成为IEEE

标准。

现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现，软硬件协调设计和系统设计变得越来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结合。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像Superlog、SystemC、Cynlib C++等等。究竟选择哪种语言进行设计，整个业界正在进行激烈的讨论。因此，完全有必要在这方面作一些比较研究，为EDA设计做一些有意义的工作，也为发展我们未来的芯片设计技术打好基础

1 目前HDL发展状况

目前，硬件描述语言可谓是百花齐放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。虽然各种语言各有所长，但业界对到底使用哪一种语言进行设计，却莫衷一是，难有定论。

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[硬件描述语言verilog]硬件描述语言HDL的现状与发展

硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。

目前，这种高层次(high-level-design)的方法已被广泛采用。据统计，目前在美国硅谷约有90%以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。

硬件描述语言HDL的发展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬件描述语言，对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是，这些语言一般各自面向特定的设计领域和层次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急 2 / 3

需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和VerilogHDL语言适应了这种趋势的要求，先后成为IEEE标准。

现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现，软硬件协调设计和系统设计变得越来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结合。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像Superlog、SystemC、CynlibC++等等。究竟选择哪种语言进行设计，整个业界正在进行激烈的讨论。因此，完全有必要在这方面作一些比较研究，为EDA设计做一些有意义的工作，也为发展我们未来的芯片设计技术打好基础。

1目前HDL发展状况