第2节 综合和仿真

2.1 综合

Verilog 是硬件描述语言，顾名思义，就是用代码的形式描述硬件的功能，最终在硬件电路上实现该功能。 在 Verilog 描述出硬件功能后需要使用综合器对 Verilog 代码进行解释并将代码转化成实际的电路来表示，最终产生实际的电路， 也被称为网表。这种**将 Verilog 代码转成网表的工具就是综合器**。

上图左上角是一段 Verilog 代码，该代码实现了一个加法器的功能。 在经过综合器解释后该代码被转化成一个加法器电路。 QUARTUS、 ISE 和 VIVADO 等 FPGA 开发工具都是综合器， 而在集成电路ASIC设计领域常用的综合器是 DC。

2.2 仿真

在 FPGA 设计的过程中，不可避免会出现各种 BUG。如果在编写好代码、 综合成电路、 烧写到FPGA 后才发现问题，此时再去定位问题就会非常地困难。 而在综合前， 设计师可以在电脑里通 过仿真软件对代码进行仿真测试， 检测出 BUG 并将其解决，最后再将程序烧写进 FPGA。一般情况下可以认为没有经过仿真验证的代码，一定是存在 BUG 的。

为了模拟真实的情况，需要编写测试文件。该文件也是用 Verilog 编写的， 其描述了仿真对象的输入激励情况。该激励力求模仿最真实的情况，产生最接近的激励信号，将该信号的波形输入给仿真对象，查看仿真对象的输出是否与预期一致。需要注意的是： 在仿真过程中没有将代码转成电路，仿真器只是对代码进行仿真验证。至于该代码是否可转成电路，仿真器并不关心。

由此可见， Verilog 的代码不仅可以描述电路，还可以用于测试。事实上， Verilog 定义的语法非常之多，但绝大部分都是为了仿真测试来使用的， 只有少部分才是用于电路设计，详细可以参考本书的“可综合逻辑设计”一节。 Verilog 中用于设计的语法是学习的重点， 掌握好设计的语法并熟练应用于各种复杂的项目是技能的核心。 而其他测试用的语法， 在需要时查找和参考就已经足够了。

2.3 可综合设计

Verilog 硬件描述语言有类似高级语言的完整语法结构和系统，这些语法结构的应用给设计描述带来很多方便。但是， Verilog 是描述硬件电路的， 其建立在硬件电路的基础之上。而有些语法结构只是以仿真测试为目的，是不能与实际硬件电路对应起来的。 也就是说在使用这些语法时， 将一个语言描述的程序映射成实际硬件电路中的结构是不能实现的，也称为不可综合语法。

综合就是把编写的 rtl 代码转换成对应的实际电路。比如编写代码 assign a=b&c； EDA 综合工具就会去元件库里调用一个二输入与门， 将输入端分别接上 b 和 c，输出端接上 a。

同样地，如果设计师编写了一些如下所示的语句：

综合工具就会像搭积木一样把这些“逻辑”电路用一些“门”电路来搭起来。当然，工具会对必要的地方做一些优化，比如编写一个电路 assing a=b&~b，工具就会将 a 恒接为 0，而不会去调用一个与门来搭这个电路。

综述所述，“综合”要做的事情有：编译 rtl 代码，从库里选择用到的门器件，把这些器件按照“逻辑”搭建成“门”电路。

不可综合，是指找不到对应的“门”器件来实现相应的代码。比如“ #100”之类的延时功能，简单的门器件是无法实现延时 100 个单元的， 还有打印语句等，也是门器件无法实现的。在设计的时候要确保所写的代码是可以综合的，这就依赖于设计者的能力，知道什么是可综合的代码，什么是不可综合的代码。对于初学者来说，最好是先记住规则，遵守规则，先按规则来设计电路并在这一过程中逐渐理解，这是最好的学习路径。

下面表格中列出了**不可综合或者不推荐使用的代码**。

代码	要求
initial	严禁在设计中使用，只能在测试文件中使用。
task/function	不推荐在设计中使用，在测试文件中可用。
for	在设计中、测试文件中均可以使用。但在设计中多数会将其用错， 所以建议在初期设计时不使用，熟练后按规范使用
while/repeat/forev er	严禁在设计中使用，只能在测试文件中使用
integer	不推荐在设计中使用
三态门	内部模块不能有三态接口，三态门只有顶层文件才使用。三态门 目的是为了节省管脚， FPGA 内部完全没有必要使用。关于三态门的 介绍，请看后续三态门章节内容
casex/casez	设计代码内部不能有 X 态和 Z 态，因此 casez、 casex 设计时不 使用。
force/wait/fork	严禁在设计中使用，只能在测试文件中使用
#n	严禁在设计中使用，只能在测试文件中使用

下表为**推荐使用的设计代码**。

代码	备注
reg/wire	设计中所有的信号类型定义，只有 reg 和 wire 两种
parameter	设计代码中所有的位宽、长度、状态机命名等，建议都用参数表 示，阅读方便并且修改容易。
assign/always	程序块主要部分， 至简设计法对 always 使用有严格规范。 组合逻辑格式为： always@(*) begin 代码语句； end 或者用 assign 时序逻辑格式为： always@(posedge clk or negedgerst_n) begin if(rst_n==1’b0)begin 代码语句； end else begin 代码语句； end end 时序逻辑中，敏感列表一定是 clk 的上升沿和复位的下降沿、最 开始必须判断复位。详细见本章组合逻辑和时序逻辑一节。
if else 和 case	always 里面的语句，使用 if else 和 case 两种方法用来作选择判断，可以完成全部设计。
算术运算符 (+，－， ×， /，％)	可以直接综合出相对应的电路。但除法和求余运算的电路面积一 般比较大，不建议直接使用除法和求余。
赋值运算符(=， <=)	时序逻辑用“<=” ，组合逻辑用“=” ；其他情况不存在。
关系运算符（ ==，！ =， >， <， >=， <=， )	详细见本章组合逻辑一节
逻辑运算符(&&， | |， !)
位运算符(~， |， ^， &)
移 位 运 算 符 ( < <， >>)
拼接运算符({ })