硬件描述语言与软件语言的区别

在本文中，我们将讨论硬件描述语言和软件语言之间的区别。 但在讨论它们的区别之前，我们必须了解硬件描述语言和软件语言。

硬件描述语言

硬件描述语言 (HDL) 是一种专门的计算机编程语言，用于以结构化和过程化的模式描述数字电子电路和系统的设计和操作。它通过确定哪个逻辑规范将在哪个抽象级别使用，或您将使用哪种物理组件来与系统设计竞争。HDL 因其在IC、FPGA 和ASIC 等数字电路的设计、仿真和实现阶段的广泛应用而得到广泛认可。

硬件描述语言的目的

硬件描述语言的几个目的是如下：

• 硬件建模：设计师可以利用 HDL 对逻辑门、触发器、寄存器、内存等块级组件以及复杂的子系统进行建模，借助结构化和编码的语法。设计师可以通过指定这些组件的行为和相互依赖性来设计各种系统和功能技术。
• 设计抽象：HDL 的双重性表达了许多抽象级别，在这些级别中，设计过程可以经过多个细节级别。行为级抽象旨在描述系统功能，而不提供实现细节，而结构级抽象则定义了硬件组件互连的物理组织和模式。
• 仿真和验证：HDL 支持数字设计的建模、仿真和调试，从而在物理实现之前实现虚拟模拟硬件。在设计团队中，可以使用仿真软件来预测设计在各种输入条件下的行为，从而检测错误并验证正确性。它几乎在生产的早期就能精确地定位和纠正设计中的疏漏，从而消除了昂贵错误的可能性。
• 综合和实现：HDL 描述作为综合工具的数据，这些工具将高级描述转换为可以物理实现的低级语言。在综合过程中，工具将针对面积和功耗等特性以及时序约束等约束对设计进行优化。因此，高效的实现将适用于 ASIC 和 FPGA 等技术。

软件语言

软件语言是一种用于表达计算机系统指令的语法正式语言。它由一组信号和语言组成，使开发人员能够编写完成所需工作的代码。软件语言的多样性非常广阔，包含许多语法、语义和范式上的特点，以适应不同的编码风格和问题领域。

软件语言的目的

软件语言的几个目的是如下：

• 指令表示：软件语言提供人类可读的指令和算法的符号表示，这与系统语言不同，后者被翻译成计算机可读的机器指令集。程序员使用它们来编写告诉计算机执行特定功能的代码，例如数据操作、影响控制的条件、与硬件设备的交互等。
• 抽象和模块化：编程语言支持抽象和模块化，这使得程序员可以将他们的模块折叠成可重用的高级模块、函数、类或库。它鼓励代码组织、重用和可维护性，从而使系统更容易管理和随着时间的推移进行调整。
• 问题解决和算法开发：软件语言在问题解决工具和算法开发机器方面发挥着相同的作用。开发人员只能使用这些语言自由地表达自己，并因此将这种表达能力转移到他们设计来解决问题的算法或问题上。
• 平台独立性：许多软件语言依赖于特定平台，使得用这些语言编写的代码只需稍作修改即可在各种硬件和不同的操作系统上运行。因此，这些硬件平台使我们能够开发可以在混合计算环境中无缝运行的软件。
• 应用程序开发：软件语言主要允许编码各种类别的应用程序，例如桌面应用程序、手机应用程序、游戏应用程序、科学模拟和其他系统辅助程序。开发人员可能关心程序的性能、语言工具的生产力以及可用于其语言增长的功能的可用生态系统。
• 领域特定语言 (DSL)：通用编程语言和软件语言还包含领域特定语言，这些语言是特定于语言的，并且是为了解决特定的应用领域或问题区域而创建的。DSL 侧重于包含特定于编程语言创建的某些构造和抽象的领域相关语言单元。

硬件描述语言和软件语言之间的主要区别

硬件描述语言和软件语言之间存在几个关键区别。一些主要区别如下：

抽象级别

• HDL：HDL 的抽象级别低于软件语言。它们通过描述物理组件并指定信号如何从一个电子电路传输到另一个电路，逻辑门如何交互以及组件如何连接来执行实际工作。
• 软件语言：计算机工程中使用的软件语言在更高的抽象级别上工作。它们负责算法、数据处理和程序流程。它们安全地存储底层硬件的概念，并为变量管理、控制流和数据结构呈现系统。通过使用软件语言，开发人员能够保持以解决方案为导向且独立于硬件，这使他们能够解决复杂系统性问题。

执行环境

• HDL：通常，HDL 代码被实现为硬件，并在特定类型的硬件平台（如FPGA或ASIC）上运行。实现的硬件布局是其软件代码实现的基础，并直接实时控制电子系统。
• 软件语言：指令由 CPU 或 GPU 等数据处理单元执行。代码被翻译成 CPU、编译器或解释器可以操作的可读指令。应用程序的出现和消失，消耗资源和平台来实现目标。

时间和同步

• HDL：HDL 构成设计规范中与硬件资源明智利用（包括信号时间和同步）相关的部分。数字系统设计人员利用高级指令（如 HDL 构造），例如，来指定时钟域、时序约束和同步机制，从而控制数字电路的性能。
• 软件语言：时间特性通常是软件的一部分，但不会直接精确地交付给开发人员。性能优化过程不是软件语言的主要方面，它们不处理低级时钟周期和信号传播延迟。

设计方法

• HDL：以 HDL 为中心的方法首先进行硬件设计，然后创建其仿真、综合和验证。从事 HDL 设计的工程师在其工作流程中会用到仿真器、综合工具和硬件仿真器等工具。
• 软件语言：软件开发遵循软件工程方法论的特定步骤，例如需求分析、设计、实现、测试和维护。集成开发环境 (IDE) 以及测试工具和 IDE 调试功能使软件开发人员能够在其开发过程中部署软件应用程序。

并发和并行

• HDL：HDL 体现了相关性和并行性，这是数字硬件共有的两个特性，因为一个事务通常包含一系列同时生效的数字信号和电路。HDL 设计可以被引导包含流水线架构和并行通信通道。
• 软件语言：尽管软件语言通过多线程、多进程和并行算法等技术提供了编程并发和并行的方法，但它们与硬件并行的有效交互仍然不够紧密。软件并行性的概念存在于底层硬件可靠性的更宏观的画面中，这也得到了跨多个核心或处理器的高效执行的支持。

数据表示

• HDL：HDL 的主要功能之一是数据表示，它包括以二进制、十六进制或其他数字表示法对数字信号、寄存器和总线进行编码。HDL 的数据类型是此类实体，因此可以复制硬件组件，如触发器、寄存器和逻辑门。
• 软件语言：软件语言提供了将数据转换为数字格式的能力，例如整数、浮点数、字符、字符串、数组和复杂数据结构。使用数据表示的软件将始终更抽象，一旦选择了编程语言，主要由语言决定约定。

测试和调试

• HDL：HDL 设计的测试和调试可以通过仿真 (sim)、形式验证和硬件调试工具等方法来实现。工程师应用仿真或这些环境来处理所谓的硬件设计，这些设计将在不同的给定条件下展示正确的行为，并且应该验证或剖析设计的正确性。
• 软件语言：软件测试和调试可以分为单元测试、集成测试、调试工具和性能剖析。在工作中，程序员使用调试器来定位错误并单步跟踪代码以识别和修复软件中的错误。

物理约束

• HDL：HDL 设计面临信号完整性、布线拥塞和时序收敛等物理限制。因此，必须使用仿真工具来评估设计在信号传播延迟、电磁干扰 (EMI) 和功耗等关键方面的性能。
• 软件语言：软件约束与硬件约束不同，因为它们不受物理限制。性能问题当然是重要的考虑因素，但软件工程师通常不需要处理信号完整性或任何其他 EMI 问题。

工具链和生态系统

• HDL：HDL 配备了对制造商友好的工具链和技术，为设计人员提供了设计工具、原理图组件和硬件描述编辑器。该系统包含一个可互换硬件元件库，以及预先设计的知识产权组件，以缩短设计布局。
• 软件语言：编程语言通常由各种开发软件工具使用，这些工具有助于加快构建过程，例如编译器、IDE、版本控制系统和包管理器。程序员可以利用广泛的库、平台和框架来开发各个领域的应用程序。

部署和可移植性

• HDL：HDL 设计通常用于特定的硬件标准，这些标准被选择并用作在 FPGA 或 ASIC 上部署的配置。在将 HDL 设计从一个硬件平台移植到另一个硬件平台时，可能需要重写、编译和综合硬件需求和实现。
• 软件语言：软件通常是可移植的解决方案，可以在最少的硬件更改下在不同的硬件组件上运行。开发人员可以通过重新编译或解释源代码到目标平台，同时为各种操作系统和硬件架构编写代码。

并发模型

• HDL：HDL 通常具有同步并发模型，即活动通过全局时钟点进行同步。设计依赖于时钟周期和由时钟信号变化触发的经典逻辑元素。同步设计形式常见且易于开发，而异步形式可能但不太常见且更复杂。
• 软件语言：软件语言支持特定的事件流程，例如同步执行或以异步方式独立运行事件。通过使用多个线程和异步编程模型，可以同时处理某些事务，这些事务由操作系统调度程序和语言运行时管理。

资源分配

• HDL：HDL 中的资源分配是指分配固定资源（特别是寄存器、逻辑门和互连）以实现计划功能的方式。设计师需要优化资源，以使其对硬件资源的消耗更少。
• 软件语言：软件中的资源分配是动态的，由操作系统或运行时环境管理。内存、CPU 时间和其他资源根据运行时需求进行分配/释放。它们是动态进行的。

设计验证

• HDL：HDL 抽象涉及严格的保证流程，以验证 HDL 程序与现实的连接和执行。可以对特定设计应用形式验证、仿真和仿真等技术，以根据规范验证设计并发现错误，然后再由用户制造或部署。
• 软件语言：采用多种测试方法，如单元测试、集成测试和系统测试，以确定软件应用程序的适用性。自动化测试框架和各种手动测试技术用于验证软件行为和错误流。

层次结构和模块化

• HDL：基于 HDL 的设计的白盒模型是分层的和模块化的，允许引入块并通过简单部分创建复杂设计。设计师使用分层和层次结构来处理复杂性，并倾向于使用现有的程序来促进设计中的重用。
• 软件语言：虽然软件倾向于层次结构和模块化，但面向对象编程和函数式编程是一些也促进层次结构和模块化的编程属性。代码被分离成类、过程函数、模块和库，以便于代码的远程使用和目录结构。