HDL编程 、软核处理器

一、HDL 编程是什么？

1. HDL 是什么的缩写？

HDL = Hardware Description Language（硬件描述语言）

它不是编写"软件"，而是用来描述硬件电路行为的编程语言。

最常见的两种 HDL：

• Verilog
• VHDL

2. HDL 是干什么的？

用代码的方式，去描述硬件电路的结构和行为。

换句话说：

• 传统硬件工程师画电路图
• HDL 工程师写代码来表达“我想要一个这样的电路”，然后交由 FPGA 或 ASIC 制造或仿真

例如，可以用 Verilog 写一个 4 位加法器：

module adder4(a, b, sum);
  input [3:0] a, b;
  output [4:0] sum;
  assign sum = a + b;
endmodule

它就代表一个电路结构：两个输入端口 a 和 b，一个输出 sum，中间连接了一个加法逻辑。

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3. HDL 的代码和软件编程的区别？

软件编程	HDL 编程
运行在 CPU 上	最终运行在 FPGA/芯片的逻辑单元上
是"指令"的集合	是"电路结构"的定义
顺序执行	并行执行
写算法	描述硬件行为

比如：

int a = b + c; // 软件世界是“执行语句”

而 HDL 是：

“这个电路有 2 个输入线，1 个输出线，中间有加法器连接它们。”

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4. HDL 的应用场景？

• FPGA 开发（现场可编程逻辑阵列）
• ASIC 流片（专用芯片设计）
• 高速信号处理（图像、雷达、5G）
• 控制系统、嵌入式系统中的自定义逻辑模块
• 工业自动化、机器人视觉等

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二、软核处理器（Soft Core Processor）

1. 什么是软核处理器？

软核处理器 = 用 HDL 描述的 可配置 CPU 核，不是固定在芯片中，而是可以加载到 FPGA 上的处理器逻辑单元。

换句话说：

就是我们用 HDL 写出一个 CPU 架构，加载进 FPGA，相当于“在 FPGA 上跑一个 CPU”。

常见的软核处理器：

• Xilinx MicroBlaze（Xilinx FPGA）
• Intel Nios II（Intel FPGA）
• RISC-V 软核处理器（开放架构）

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2. 为什么要用软核？

因为：

• 普通 FPGA 没有 CPU，如果我们想在 FPGA 上跑控制逻辑，就得“造一个 CPU”。
• 软核可以 配置指令集、缓存、外设总线，灵活定制。
• 不像硬核（硬件写死的 CPU 核）只能使用厂商给的配置，软核是 可修改、可裁剪、可综合的 HDL 代码。

举个例子：
我们可以定制一个只带 UART 接口和 SPI 接口的精简 CPU，只用于控制一个传感器，然后再搭配一个自定义的 FFT 模块并行运行。

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3. 软核的运行机制？

1. 用 HDL 实现 CPU 架构
2. 编译（综合）进 FPGA
3. 给这个 CPU 下载软件程序（通常是 C/C++ 写的）
4. 软件运行在这个“虚拟的 FPGA 上的 CPU”里，控制整个系统

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三、HDL + 软核 的关系与典型用途

常见组合场景：

• 自定义高速处理 + 软核控制逻辑

  • 软核用于配置参数、接收用户命令、进行简单控制（像 MCU）
  • 自定义 HDL 电路处理数据，如 FFT、滤波器、图像处理等
  • 两者之间通过 Bus（如 AXI）通信

实例：

假设我们在做高频采集系统：

• 用 HDL 写数据采集模块、DMA 模块
• 用软核处理器接收采集参数、配置波形显示、响应用户控制命令
• 整个系统装入 FPGA，硬实时、高可靠

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四、学习建议

1. HDL入门学习资源

• 学习 Verilog 语言（推荐优先学 Verilog）

  • [推荐书]《Verilog HDL 数字设计教程》
  • 在线平台：EDA Playground（在线写 Verilog 模拟）

• 安装工具：Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime（可使用仿真和综合功能）

• 学习常见模块：

  • 时钟分频器、计数器、状态机、UART、FIFO、SPI、I2C
  • 多模块组合系统设计

2. 软核处理器学习建议

• 使用 Xilinx Vivado（支持 MicroBlaze）

• 练习一个简单工程：

  • 用 HDL 写一个 LED 控制模块
  • 用 MicroBlaze 软核程序控制 LED 状态

• 学习软核开发流程：

  • 搭建软核系统（IP Integrator）
  • 编写 C 控制程序（SDK / Vitis）
  • 下载运行并调试

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五、总结对比表

特性	HDL编程	软核处理器
目的	描述电路（逻辑、结构）	在 FPGA 中跑一个 CPU
表达能力	任意逻辑电路，强大且灵活	受限于软核架构
编程语言	Verilog / VHDL	通常是 C（控制程序）
执行方式	硬件并行执行	指令顺序执行
优势	高性能、高定制、低延迟	易于开发、结构清晰
应用场景	信号处理、控制逻辑、IO接口等	控制、通信、协议、软件逻辑等