夏宇闻-Verilog经典教程

第一章数字信号处理、计算、程序、算法和硬线逻辑的基本概念

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第一章 数字信号处理、计算、程序、

算法和硬线逻辑的基本概念

引言：

现代计算机与通讯系统电子设备中广泛使用了数字信号处理专用集成电路，它们主要

用的计算机系统来处理这类问题。如在石油地质调查中，我们通过钻探和一系列的爆破，

记录下各种地层的回波数据，然后用计算机对这些数据进行处理，去除噪声等无用信息，

最后我们可以得到地层的构造，从而找到埋藏的石油。因为地层不会在几年内有明显的变

化，因此花几十天的时间把地层的构造分析清楚也能满足要求。这种类型的数字信号处理

是非实时的，用通用的计算机就能满足需要。

还有一类数字信号处理必须在规定的时间内完成，如在军用无线通信系统和机载雷达系统

中我们常常需要对检测到的微弱信号增强、加密、编码、压缩，在接收端必须及时地解压

缩、解码和解密并重现清晰的信号。我们很难想象用一个通用的计算机系统来完成这项工

作，因此，我们不得不自行设计非常轻便小巧的高速专用硬件系统来完成该任务。

的结束。微处理器芯片中的内部总线和运算部件也是为通用的目的而设计，即使是专为信

号处理而设计的通用微处理器，因为它的通用性，也不可能为某一个特殊的算法来设计一

系列的专用的运算电路，而且其内部总线的宽度也不能随意改变，只有通过改变程序，才

能实现这个特殊的算法。因而其运算速度就受到限制。

本章的目的是想通过对数字信号处理、计算（Computing）、算法和数据结构、编程语言和

程序、体系结构和硬线逻辑等基本概念的介绍，了解算法与硬线逻辑之间的关系从而引入

利用 Verilog HDL 硬件描述语言设计复杂的数字逻辑系统的概念和方法。向读者展示一种

九十年代才真正开始在美国等先进的工业国家逐步推广的数字逻辑系统的设计方法。借助

于这种方法，在电路设计自动化仿真和综合工具的帮助下，只要我们对并行的计算结构有

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大规模集成电路设计制造技术和数字信号处理技术，近三十年来，各自得到了迅速的发展。

这两个表面上看来没有什么关系的技术领域实质上是紧密相关的。因为数字信号处理系统

往往要进行一些复杂的数学运算和数据的处理，并且又有实时响应的要求，它们通常是由

高速专用数字逻辑系统或专用数字信号处理器所构成，电路是相当复杂的。因此只有在高

速大规模集成电路设计制造技术进步的基础上，才有可能实现真正有意义的实时数字信号

处理系统。对实时数字信号处理系统的要求不断提高，也推动了高速大规模集成电路设计

制造技术的进步。现代专用集成电路的设计是借助于电子电路设计自动化（EDA）工具完成

的。学习和掌握硬件描述语言（HDL）是使用电子电路设计自动化（EDA）工具的基础。

的是通过编码来减少误码率以提高信道的通信质量，有的是为了去掉噪声等无关的信息也

可以称为滤波，有的是为了数据的压缩以减少占用的频道…。有时我们也把某些种类的数

字信号处理运算称为变换如离散傅利叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、小波变换（Wavelet

我们这里所说的计算是从英语 Computing 翻译过来的，它的含义要比单纯的数学计算广泛

得多。“Computing 这门学问研究怎样系统地有步骤地描述和转换信息，实质上它是一门覆

盖了多个知识和技术范畴的学问，其中包括了计算的理论、分析、设计、效率和应用。它

提出的最基本的问题是什么样的工作能自动完成，什么样的不能。”（摘自 Denning et al.,

“Computing as a Discipline,” Communication of ACM, January,1989）。

方面的基本概念出发来研究和探讨用于数字信号处理等领域的复杂硬线逻辑电路的设计技

术和方法。特别强调利用 Verilog 硬件描述语言的 Top-Down 设计方法的介绍。

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1.3 算法和数据结构

为了准确地表示特定问题的信息并顺利地解决有关的计算问题，我们需要采用一些特殊方

法并建立相应的模型。所谓算法就是解决特定问题的有序步骤，所谓数据结构就是解决特

们已经熟悉通过编写程序来解决计算问题， C、Pascal、Fortran、Basic 或汇编语言语言

是几种常用的编程语言。如果我们只研究算法，只在通用的计算机上运行程序或利用通用

的 CPU 来设计专用的微处理器嵌入系统，掌握上述语言就足够了。如果还需要设计和制造

能进行快速计算的硬线逻辑专用电路，我们必须学习数字电路的基本知识和硬件描述语言。

因为现代复杂数字逻辑系统的设计都是借助于 EDA 工具完成的，无论电路系统的仿真和综

合都需要掌握硬件描述语言。在本书中我们将要比较详细地介绍 Verilog 硬件描述语言。

1.5 系统结构和硬线逻辑

计算机究竟是如何构成的？为什么它能有效地和正确地执行每一步程序？它能不能用另外

机系统结构是一门讨论和研究通用的计算机中央处理器如何提高运算速度性能的学问。对

计算机系统结构的深入了解是设计高性能的专用的硬线逻辑系统的基础，因此将是本书讨

论的重点之一。但由于本书的重点是利用 Verilog HDL 进行复杂数字电路的设计技术和方

法，大量的篇幅将介绍利用 HDL 进行设计的步骤、语法要点、可综合的风格要点、同步有

限状态机和由浅入深的设计实例。

1.6 设计方法学

复杂数字系统的设计是一个把思想（即算法）转化为实际数字逻辑电路的过程。我们都知

道同一个算法可以用不同结构的数字逻辑电路来实现，从运算的结果说来可能是完全一致

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设计专用的大规模集成电路（ASIC）；4）利用现成的微处理机的 IP 核并结合专门设计的高

综合考虑而定。

在上述第二、第三、第四种设计方案中，电路结构的考虑和决策至关重要。有的电路结构

1.7 专用硬线逻辑与微处理器的比较

在信号处理专用计算电路的设计中，以专用微处理器芯片为中心来构成完成算法所需的电

路系统是一种较好的办法。我们可以利用现成的微处理器开发系统，在算法已用 C 语言验

证的基础上，在开发系统工具的帮助下，把该 C 语言程序转换为专用微处理器的汇编再编

译为机器代码，然后加载到样机系统的存储区，即可以在开发系统工具的环境下开始相关

算法的运算仿真或运算。采用这种方法，设计周期短、可以利用的资源多，但速度、能耗、

体积等性能受该微处理器芯片和外围电路的限制。

用高密度的 FPGA（从几万门到几十万门）来构成完成算法所需的电路系统也是一种较好的

办法。我们必须购置有关的 FPGA 开发环境、布局布线和编程工具。有些 FPGA 厂商提供的

ASIC 运算电路，能设计出性能价格比最高的理想数字信号处理系统。这种方法结合了微处

理器和专用的大规模集成电路的优点，由于微处理器 IP 核的挑选结合了算法和应用的特

但由于设计和制造周期长、投片成本高，往往只有经费充足、批量大的项目或重要的项目

才采用这一途径。当然性能优良的硬件描述语言仿真器、综合工具是不可缺少的，另外对

以上所述算法的专用硬线逻辑实现都需要对算法有深入的了解，还需掌握硬件描述语言和

相关的 EDA 仿真、综合和布局布线工具。

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就编程语言而言，国内外大多数学校都以 C 语言为标准，只有少部分学校使用 Pascal 和

Fortran。

算法的描述和验证常用 C 语言来做。例如要设计 Reed-Solomen 编码/解码器，我们必须先

深入了解 Reed-Solomen 编码/解码的算法，再编写 C 语言的程序来验证算法的正确性。运

我们就可以来验证算法的正确性。但这样的数据处理其运行速度只与程序的大小和计算机

的运行速度有关，也不能独立于计算机而存在。如果要设计一个专门的电路来进行这种对

速度有要求的实时数据处理，除了以上介绍的 C 程序外，还须编写硬件描述语言（如 Verilog

能与前端和后端的设备或器件正确无误地交换数据。

用硬件描述语言（HDL）的程序设计硬件的好处在于易于理解、易于维护、调试电路速度

快、有许多的易于掌握的仿真、综合和布局布线工具，还可以用 C 语言配合 HDL 来做逻

辑设计的前后仿真，验证功能是否正确。

5) 综合后门级结构仿真。

6) 布局布线后仿真。

7) 电路实现验证。

下面介绍用 C 语言配合 Verilog HDL 来设计算法的硬件电路块时考虑的三个主要问题：

z 为什么选择 C 语言与 Verilog HDL 配合使用？

z C 语言与 Verilog HDL 的使用有何限制？

z

首先，C 语言很灵活，查错功能强，还可以通过 PLI（编程语言接口）编写自己的系

统任务直接与硬件仿真器（如 Verilog-XL）结合使用。C 语言是目前世界上应用最为

广泛的一种编程语言，因而 C 程序的设计环境比 Verilog HDL 的完整。此外，C 语言