例说Verilog HDL和VHDL区别

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`includeVerilog 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。

冗长（Verboseness:）：Verilog 与 VHDL

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。

审核编辑：刘清