如果你搜索Verilog和VHDL的区别,你会看到很多讨论这场HDL语言战争的区别页面,但大多数都很简短,没有很好地举例说明,不方便初学者或学生理解。
Verilog和VHDL之间的区别将在本文中通过示例进行详细说明。对优点和缺点的Verilog和VHDL进行了讨论。
HDL 建模能力:Verilog与VHDL
首先,让我们讨论一下 Verilog 和 VHDL 的硬件建模能力,因为它们都是用于建模硬件的硬件描述语言。
下图显示了 Verilog 和 VHDL 在硬件抽象行为级别方面的 HDL 建模能力。
图形来源:Douglas J. Smith,“VHDL 和 Verilog 比较和对比加上 用 VHDL、Verilog 和 C 编写的建模示例”
低级建模
如上图所示,Verilog 和 VHDL 都能够对硬件进行建模。但是,在底层硬件建模方面,Verilog优于VHDL。这是合理的,因为 Verilog 最初是为建模和模拟逻辑门而创建的。事实上,Verilog 具有内置原语或低级逻辑门,因此设计人员可以在 Verilog 代码中实例化原语,而 VHDL 则没有。
Verilog 的门基元:and、nand、or、nor、xor、xnor、buf、not、bufif0、notif0、bufif1、notif1、pullup、pulldown。 Verilog 的开关原语:pmos、nmos、rpmos、rnmos、cmos、rcmos、tran、rtran、tranif0、rtranif0、tranif1、rtranif1。
更重要的是,Verilog 支持用户定义基元 (UDP),因此设计人员可以定义自己的单元基元。此功能对于 ASIC 设计人员来说尤其必要。
以下是有关如何在 Verilog 代码中实例化门基元的 Verilog 示例:
or #5 u1(x,y,z);
and #10 u2(i1,i2,i3);
ADC_CIRCUIT u3(in1,out1,out2,clock);
// ADC_CIRCUIT is an User-Defined Primitive for
// Analog to Digital Converter for example.
Verilog 中一些低级内置门基元的 VHDL 等效项可以通过使用逻辑运算符如 NOT、AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR 来实现。
下面是 Verilog 门基元的 VHDL 等效代码示例:
or u1(x,y,z); in Verilog <=> x <=< span=""> y OR z; in VHDLand u2(i1,i2,i3); (Verilog) <=> i3 <=< span=""> i2 AND i3; in VHDL
为了支持 Verilog 中的 UDP 功能,VITAL(VHDL Initiative Towards ASIC Libraries-VHDL 面向 ASIC 库的倡议)问世,使 ASIC 设计人员能够在符合 VITAL 的 VHDL 中创建自己的单元基元或 ASIC 库,如上图所示。尽管如此,VHDL 仍然可能无法实现 Verilog 对低级硬件建模的支持。因此,如果我是 ASIC 设计师,我会更喜欢 Verilog 而不是 VHDL。
高级建模
另一方面,如上述图表所示,VHDL 在高级硬件建模方面优于 Verilog。与 Verilog 相比,VHDL 为高级硬件建模提供了更多功能和构造。以下是在比较 VHDL 和 Verilog 时支持高级硬件建模的主要不同功能:
VHDL 中的用户定义数据类型
Verilog 的数据类型非常简单,都是用 Verilog 语言定义的(用户不能在 Verilog 中定义自己的数据类型)。Verilog 有两种主要的数据类型,包括 net 数据类型(用于将组件连接在一起,例如wire(最流行)、wor、wand、tri、trior 等)和变量数据类型(用于临时存储,例如reg(最流行),整数、时间、实数和实时)。
VHDL支持许多不同的数据类型,包括预定义的 VHDL 数据类型和用户定义的数据类型。预定义的 VHDL 数据类型包括位、位向量、字符串、时间、布尔值、字符和数字(实数或整数)。VHDL 允许设计人员根据预定义的 VHDL 数据类型定义不同的类型;对于可能使用许多不同数据类型的复杂和高级系统来说,这是一个很好的功能。以下是用于定义新数据类型的示例 VHDL 代码:
type int_8bit is range 0 to 255 -- define 8-bit unsigned numbers
signal i : int_8bit;
type state_FSM is (Idle, start, calculate , finish, delay)
-- define symbolic states to represent FSM states.
signal current_state, next_state: state_FSM;
VHDL 中的设计重用包
VHDL 中的包通常用于数据类型和子程序的声明。VHDL 包中声明的子程序或数据类型可用于许多不同的实体或体系结构。例如:
package fsm_type is
type FSM_states is (IDLE, TRANSMIT, RECEIVE, STOP);
end package
-- to use the FSM_states type in an entity or architecture
-- use the following statement on top of the entity
use work.fsm_type.all
entity example is
Verilog 中没有包定义。与 VHDL 包最接近的 Verilog 等效项是`include Verilog 编译器指令。函数或定义可以单独保存在另一个文件中,然后通过使用`include指令在模块中使用它。下面是一个 Verilog 示例代码:
// Below is the content of "VerilogVsVHDL.h" file
`define INPUT_VERILOG "./test_VerilogvsVHDL.hex" // Input file name
`define OUTPUT_VHDL "VHDL.bmp" // Output file name
`define VERILOG_VHDL_DIFFERENCE
// Then call it in every single module that you want to use the definition above
`include "VerilogVsVHDL.h"
VHDL 中的配置语句
一个 VHDL 设计可以为一个实体获得许多具有不同体系结构的设计实体。配置语句将确切的设计实体与设计中的组件实例相关联。当实体中有多个架构时,配置语句会继续指定所需的设计架构分配给实体以进行综合或仿真。当 VHDL 设计人员需要管理大型高级设计时,此功能非常有用。
以下是配置语句的 VHDL 示例代码:
entity BUF is
generic (DELAY : TIME := 10 ns);
port ( BUF_IN : in BIT; BUF_OUT : out BIT);
end BUF;
-- The first design architecture for BUF
architecture STRUCT_BUF1 of BUF is
signal temp: bit;
begin
BUF_OUT <=< span=""> not temp after DELAY;
temp <=< span=""> not BUF_IN after DELAY;
end STRUCT_BUF1;
-- The second design architecture for BUF
architecture STRUCT_BUF2 of BUF is
begin
BUF_OUT <=< span=""> BUF_IN after 2*DELAY;;
end STRUCT_BUF2;
-- Testbench to simulate BUF entity
entity BUF_TESTBENCH is
end BUF_TESTBENCH;
architecture STRUCT_BUF_TEST of BUF_TESTBENCH is
signal TEST1, TEST2 : BIT := '1';
-- BUF_COMP component declaration:
component BUF_COMP is
generic (TIME_DELAY : TIME);
port ( IN1 : in BIT; OUT1 : out BIT );
end component;
begin
-- instantiation of BUF_COMP component:
DUT:BUF_COMP generic map (10 ns) port map (TEST1,TEST2);
end STRUCT_BUF_TEST;
-- Configuration specify the design entity and architecture
-- for the DUT component instance in the testbench above
configuration CONFIG_BUF of TEST_BUF is
-- Associate BUF_COMP component instance to BUF design entity
-- and STRUCT_BUF1 design architecture for simulation
for STRUCT_BUF_TEST
for DUT : BUF_COMP
use entity WORK.BUF (STRUCT_BUF1)
generic map (DELAY => TIME_DELAY)
port map (BUF_IN => IN1, BUF_OUT => OUT1);
end for;
end for ;
end CONFIG_BUF;
Verilog-2001 中还添加了配置块。
VHDL 中的库管理
同时查看 Verilog 和 VHDL 代码时,最明显的区别是 Verilog 没有库管理,而 VHDL 在代码顶部包含设计库。VHDL 库包含已编译的架构、实体、包和配置。此功能在管理大型设计结构时非常有用。上面已经给出了 VHDL 中的包和配置示例。以下是 VHDL 中库管理的 VHDL 示例代码:
-- library management in VHDL
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.numeric_std.all;
use work.clock_div.all;
简而言之,VHDL 在高级硬件建模方面比 Verilog 更好。由于 FPGA 设计流程不需要低级硬件建模,如果我是 FPGA 设计师,我更喜欢 VHDL 而不是 Verilog。
值得一提的是,SystemVerilog 的创建是为了通过将 VHDL 中的高级功能和结构添加到 Verilog 中进行验证来增强 Verilog 语言在高级建模中的弱点。SystemVerilog 现在广泛用于 IC 验证。
VHDL 是强类型的vs Verilog 是松散类型的
VHDL 是一种非常强类型的硬件描述语言,因此必须使用匹配和定义的数据类型正确编写 VHDL 代码。这意味着如果在 VHDL 中分配时混合数据类型或不匹配信号,将会出现编译错误。另一方面,Verilog 是一种松散类型的语言。在 Verilog 中,您可以在分配时混合数据类型或不匹配信号。下面是不匹配信号的 VHDL 示例代码:
signal test_reg1: std_logic_vector(3 downto 0);
signal test_reg2: std_logic_vector(7 downto 0);
test_reg2 <=< span=""> test_reg1;
-- You cannot assign a 4-bit signal to an 8-bit signal
-- in VHDL, it will introduce a syntax error below:
-- Width mismatch. Expected width 8, Actual width is 4
-- for dimension 1 of test_reg1.
编译上面的VHDL代码时,会出现语法错误“ Width mismatch. Expected width 8, Actual width is 4 ”。如果将VHDL代码改为“ test_reg2 <= "0000"&test_reg1; "匹配位宽,则不会出现语法错误。 如果在 Verilog 中将 4 位信号分配给 8 位信号会怎样?
wire [3:0] test1;
wire [7:0] test2;
// In Verilog, you can assign 4-bit signal to 8-bit signal.
assign test2 = test1;
// there will be no syntax error during synthesis
当您将 4 位信号分配给 8 位信号时,Verilog 编译器不会引入语法错误。在 Verilog 中,不同位宽的信号可以相互分配。Verilog 编译器将使源信号的宽度适应目标信号的宽度。未使用的位将在综合期间进行优化。 下面是在分配信号时混合数据类型的另一个 VHDL 示例:
signal test1: std_logic_vector(7 downto 0);
signal test2: integer;
test2 <=< span=""> test1;
-- Syntax Error: type of test2 is incompatile with type of test1
上面的 VHDL 代码会引入一个语法错误“ (type of test2 is incompatible with type of test1)test2 的类型与 test1 的类型不兼容”。你必须转换test1的 分配之前整数数据类型TEST1到TEST2如下:
library IEEE;
USE ieee.numeric_std.ALL;
signal test1: std_logic_vector(3 downto 0);
signal test2: integer;
-- Use IEEE.NUMBERIC_STD.ALL Library for this conversion
test2 <=< span=""> to_integer(unsigned(test1));
-- No syntax errors this time
另一方面,Verilog 在分配时混合数据类型时没有问题。以下是一个 Verilog 示例:
reg [3:0] test1;
integer test2;
always @(test1) begin
test2 = test1;
end
// NO syntax errors when compiling
当您将具有reg数据类型的信号分配给具有不同数据类型(如integer )的另一个信号时, Verilog 编译器不会像在 VHDL 中那样引入语法错误。
VHDL 复杂数据类型与 Verilog 简单数据类型
如上所述,VHDL 有许多不同的复杂数据类型,用户还可以定义许多其他复杂数据类型。这也使得 VHDL 比 Verilog 更冗长,因为 Verilog 只有 2 种主要数据类型,并且 Verilog 中不允许用户定义的数据类型。
换句话说,为了对同一电路建模,VHDL 代码通常比 Verilog 代码更冗长、更长,因为 VHDL 的强类型,我们需要在不同的复杂数据类型之间执行转换。它可以是优点也可以是缺点。事实上,当您在 VHDL 代码中分配错误的内容时,VHDL 编译器更有可能引入语法错误。当您成功编译 VHDL 代码时,与 Verilog 相比,您的 VHDL 代码更有可能正常工作。另一方面,Verilog 是松散类型的,更简洁,更简单。但是编译成功后,很有可能你的Verilog代码中仍然存在错误。
下面是另一个使 VHDL 比 Verilog 更冗长的示例代码:
-- VHDL code for ALU
process(SEL,ABUS,BBUS,tmp1,tmp2)
begin
case(SEL) is
when "0000" => ALUOUT <=< span=""> tmp1; -- ADD
when "0001" => ALUOUT <=< span=""> tmp2;-- SUB
when "0010" => ALUOUT <=< span=""> BBUS; -- AND
when others => ALUOUT <=< span=""> ABUS;
end case;
end process;
// Verilog equivalent to VHDL ALU
assign ALUOUT=(SEL==0)?tmp1:((SEL==1)?tmp2:((SEL==2)?BBUS:ABUS));
VHDL 中的 if else、when/else、with/select 语句可以在 Verilog 中使用条件运算符 (?) 表达得更简洁,如上例所示。
Verilog 和 VHDL 之间的其他区别:
Verilog 类似于C 编程语言,而 VHDL 类似于Ada或 Pascal 编程语言
Verilog 区分大小写,而 VHDL 不区分大小写。这意味着DAta1和Data1在Verilog中是两个不同的信号,但在VHDL中是相同的信号。
在 Verilog 中,要在模块中使用组件实例,您只需在模块中使用正确的端口映射对其进行实例化。在VHDL中,在实例化实例之前,如果您使用旧的实例化语句作为以下示例,则通常需要将组件声明为架构或包中。在 VHDL-93 中,您可以像这样直接实例化实体:“ Label_name: entity work.component_name port map (port list) ;”。
例如,要在 VHDL 中实例化实体 clk_div,将在体系结构代码中添加一个组件声明,如下所示:
architecture Behavioral of digital_clock is
-- component declaration before instantiation below
component clk_div
port (
clk_50: in std_logic;
clk_1s : out std_logic
);
end component;
signal clk, clk_1s: std_logic;
begin
-- component instantiation
create_1s_clock: clk_div port map (clk_50 => clk, clk_1s => clk_1s);
end
或者在包中声明组件以供重用:
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
package clock_div_pack is
component clk_div is
port (
clk_50: in std_logic;
clk_1s : out std_logic
);
end component clk_div;
end package;
-- Declare the component in a separate package and
-- reuse by using the following statement:
use work.clock_div_pack.all;
entity clock is
end clock;
architecture Behavioral of clock is
signal clk, clk_1s: std_logic;
begin
create_1s_clock: clk_div port map (clk_50 => clk, clk_1s => clk_1s);
end
在 VHDL-93 中直接实例化实体的示例代码:
create_1s_clock: entity work.clk_div port map (clk_50 => clk, clk_1s => clk_1s);
Verilog 具有编译器指令,例如`timescale (声明时间单位和延迟精度)、`define (将文本字符串声明为宏名称)、`ifdef、ifndef `else `elseif `endif(条件编译)、`include(包括一个可以包含函数或其他声明的文件)等。VHDL 没有编译器指令。
VHDL 支持枚举和记录数据类型,允许用户为一种数据类型定义多个信号。Verilog 不支持枚举和记录类型。下面是枚举和记录类型的 VHDL 代码:
type FSM is (IDLE, TEST, VERILOGvsVHDL, STOP, FPGA4student);
-- enumerated type
type int_4 is range 0 to 15;
-- record tye in VHDL
type record_example is record
data1: integer;
data2: int_4;
data3: FSM;
end record;
等等。
尽管 Verilog 和 VHDL 之间存在差异,但它们是两种最流行的硬件描述语言。如果可以,最好同时学习它们。重要的是要记住,在编码时始终考虑逻辑门或硬件以开发硬件编码思维,而在使用 Verilog 和 VHDL 编码时忘记软件编程思维,这一点非常重要。
详细对比
VHDL 与 VerilogHDL 的不同点
详下一篇文章
序号 | 区别之处 | VHDL | Verilog |
---|---|---|---|
1 | 文件的扩展名不一样 | .vhd | .v |
2 | 结构不一样 | 包含库、实体、结构体。ENTITY 实体名 IS PORT(端口说明) END 实体名 ;ARCHITECTURE 结构体名 OF 实体名 IS 说明部分BEGIN 赋值语句/ 元件语句/ 进程语句 END 结构体名 ; | 模块结构 (module… endmodule)module 模块名 (端口列表) ; 输入/输出端口说明; 变量类型说明;assign 语句 (连续赋值语句) ;元件例化语句;always@(敏感列表)begin …end endmodule其中assign语句、元件例化语句、always语句的顺序可以更换 |
- END -