什么是寄存器传输级（RTL）设计？

寄存器

在RTL设计中，能够存储固定数量数据的硬件元件称为寄存器。它们通常以D型触发器的方式实现。寄存器的值既可以作为逻辑运算的输入被读取，也可以作为运算的输出被写入。描述数据在寄存器之间的流动方式以及数据如何通过运算发生变化，是RTL设计的基本目的。

硬件描述语言（HDL）

RTL设计中最关键的部分是描述电路行为的代码。硬件描述语言（HDL ，HDL）是一种规格说明语言，其语法与编程语言非常相似，包含变量、函数调用、if-then-else和CASE等逻辑语句、布尔语句以及数学运算。然而，HDL是专门为描述电子电路（通常是集成电路）的行为和结构而设计的。HDL （RTL）与编程语言的一大区别在于，该语言内置了时间概念，从而使操作能够由电路中的时钟触发。  

这可以通过在电路中使用定义数字时钟值的变量来实现，例如在这个逆变器的简单VHDL示例中，当时钟值clk从低电平状态变为高电平状态（上升沿）时，输出（Q）被设置为输入值（D）：

D <= not Q;

process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        Q <= D;
    end if;
end process;

最常用的HDL ——超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）——是一种冗长且强类型的语言，其语法与C语言截然不同。它是描述更复杂的系统设计时首选的HDL 。 

另一种常见的HDL 是Verilog ，或是其超集SystemVerilog 。它更加简洁、采用弱类型且灵活，其语法与C语言代码相似。由于它易于学习且便于编写描述，工程师在入门阶段或电路不太复杂时更倾向于使用它。IEEE 将Verilog 和VHDL均定义为行业标准。 

以下是用这两种语言编写的“与”门的一个简单示例。“与”门有两个输入和一个输出。如果两个输入都等于1，则输出为1；如果它们不相同，或者两个输入都设为0，则输出为0。 

VHDL对与门的描述如下所示： 

实体 my_and 定义如下：-- 首先，定义实体
port (
inp1: in std_logic; -- 第一个端口
inp2: in std_logic; -- 第二个端口
rst: out std_logic -- 输出端口
);
end my_and;

architecture blk of my_and is -- Next, define the architecture
begin
  process(inp1, inp2) -- With the inputs, do the following
  Begin
    -- Use a simple if-then-else statement
    if((inp1=’1’) and inp1=’1’))then
      rst <= ’1’;
    else
      rst <= ’0’;
    End if;
  end process
end blk;

Verilog对与门的描述如下所示：

module my_and(inp1,inp2,rst); // 定义模块 call
input inp1, inp2; // 定义输入和输出
output rst;

assign rst = inp1 & inp2; // 使用 &（与）运算符

endmodule

该逻辑电路获取两个输入端口的值，如果两个端口均为1，则将输出设为1。这是一个简单的示例，但此类代码可以表示系统中的每个实体，并可组合起来定义整个数字电路。典型的基本构建模块包括加法器、乘法器、计数器、存储器和状态机。 一旦设计工程师定义了系统，代码就会被发送到compiler 。如果编译没有错误，工程师就可以使用生成的结果来测试其系统。

逻辑运算

RTL 设计中包含两种类型的运算。第一种是逻辑运算，用于对寄存器中存储的数据进行位级评估和修改。诸如 AND、OR、NOT、XOR 和移位等逻辑运算，是通过在《HDL 》中定义逻辑行为来实现的。上例展示了如何用 VHDL 和Verilog 表示 AND 运算。逻辑运算在硬件中对应于逻辑门。 

算术运算

RTL 设计中的第二类运算是算术运算。它们对寄存器中的数据进行加、减、乘、除运算。在HDL 中，这些运算由标准 中的数学运算符表示。例如，在 VHDL 中对两个数字进行加法运算时，会使用以下代码行：

rst <= inp1 + inp2;

— 其中 inp1 和 inp2 是两个输入寄存器，rst 被赋值给输出寄存器。RTL 中的算术运算代表专用的物理元件，例如加法器、减法器、乘法器和除法器。 

同步和异步操作

RTL 设计可以采用同步（synchronous）或非同步（异步 ）的方式来表示数据流。在同步模式下，子程序由输入到该函数的系统时钟信号触发并执行。在非同步模式下（异步 ），当一个或多个输入端口的值以特定方式发生变化时，子程序才会执行。这通过使用 if 语句检查时钟输入或非时钟输入的输入值是否发生变化来实现。 

1. 高级综合 

该流程中的首要任务是将设备规格转换为HDL 代码，且修改量尽可能少。在大多数情况下，工程师会使用C或C++等标准 编程语言来描述设备应有的行为。随后，软件工具会将软件模型中的算法分解为所选的规格描述语言。对于较简单的设计，可以跳过这一步；但对于较复杂的设计，这一步能节省大量工作量。 

2. RTL编码

随后，工程师们开始编写或优化代码。设计人员会深入研究具体寄存器的细节、所需的操作以及数据流向。此步骤的一个重要环节是利用模块来描述常见操作和系统的特定部分。一旦创建了模块，就可以在适用时重复使用，从而大大简化整体设计的复杂性。 

3. 性能、功耗和面积的优化（PPA ）

编码完成后，优化过程便开始了。此步骤的目标是提高性能、降低功耗并缩小设计的物理尺寸。 

时序与逻辑仿真：利用仿真工具进行时序分析，并追踪整个系统中的寄存器值。在寄存器传输层对设计进行验证，以确保整个电路不存在时序问题，且运算能产生预期的输出结果。设计团队会在此阶段尽早排查并解决设计过程中的任何问题，包括电源毛刺。 

功耗估算：系统中的每台设备都会消耗一定量的功耗，设计工程师需要了解功耗具体数值，并通过反复迭代设计来掌握功耗分布情况，从而将功耗降至最低。 

面积最小化：集成电路中的每个元件都会占用物理空间，元件之间的布线 同样如此。尽管RTL设计过程不会考虑元件的物理尺寸，但它确实会记录元件的数量以及它们之间连接的复杂程度。

4. 验证

设计优化完成后，必须对其进行验证，以确保所有规格要求均得到满足。这是设计流程中的关键环节，在设计进入下一阶段之前，必须对所有设计要求进行核查。验证工作可通过RTL仿真或形式化验证来完成。 

RTL仿真：使用各种软件工具对设计进行动态验证。向设计施加输入向量，并将得到的输出向量与预期结果进行比较。输入和输出通常以波形形式表示，以便设计工程师能够直观地检查系统的行为。 

形式验证：这是一种静态验证过程，它利用自动化技术将一组行为预期转换为数学算法，从而探索系统的整个运行空间。随后对结果进行数学评估，以验证正确性 。 

5.RTL 综合

在系统设计经过全面验证后，使用RTL 综合 将RTL设计的HDL 代码表示形式转换为门级网表 。这是电子设计自动化（EDA）工具中，用于将生成的原理图转换为物理布局的工具的前端部分。