VHDL (VHSIC Hardware Description Language) es un lenguaje de descripción de hardware poderoso y versátil utilizado para el diseño, simulación y síntesis de sistemas electrónicos digitales. Desarrollado originalmente para el programa de Circuitos Integrados de Muy Alta Velocidad (VHSIC) del Departamento de Defensa de EE. UU. en la década de 1980, VHDL permite a los ingenieros crear modelos abstractos del comportamiento y la estructura del hardware. Su capacidad para describir sistemas complejos lo ha convertido en un elemento esencial en diversas industrias, especialmente para diseños de FPGA (Field Programmable Gate Array) y ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).
VHDL fue creado a principios de la década de 1980 como parte de un esfuerzo por estandarizar el diseño de circuitos digitales. El lenguaje fue desarrollado por un equipo liderado por Peter Ashenden en el Departamento de Defensa de EE. UU. para abordar la necesidad de una forma consistente de describir el hardware. La intención inicial era facilitar la documentación de diseños existentes para el programa VHSIC, pero evolucionó hasta convertirse en un lenguaje completo para la descripción de hardware.
En 1987, VHDL fue estandarizado por el IEEE como IEEE 1076. Desde entonces, ha pasado por varias actualizaciones, siendo IEEE 1076-1993 e IEEE 1076-2002 revisiones significativas. El lenguaje se ha ampliado para incluir construcciones que soportan la verificación de diseño, restricciones de síntesis y capacidades de simulación.
Hoy en día, VHDL se utiliza ampliamente tanto en el ámbito académico como en la industria para diseñar sistemas eléctricos complejos. Su sintaxis y comportamiento están influenciados por lenguajes de programación como Ada, Pascal y C. Varias herramientas para simulación y síntesis pueden interpretar el código VHDL, y a menudo se utiliza junto con otros lenguajes de descripción de hardware, siendo Verilog el más notable.
VHDL es un lenguaje de tipado fuerte, lo que significa que cada variable debe ser declarada con un tipo específico antes de ser utilizada. Esto previene muchos errores comunes.
signal CLK : std_logic; -- Declarando una señal de tipo std_logic
VHDL soporta la ejecución concurrente de declaraciones. Múltiples procesos pueden ejecutarse simultáneamente, lo cual es esencial para modelar el comportamiento del hardware.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Tarea a realizar
end if;
end process;
VHDL utiliza un modelo entidad-arquitectura donde la entidad describe la interfaz de un componente de hardware, mientras que la arquitectura describe su comportamiento interno.
entity AND_Gate is
Port ( A, B : in std_logic;
Y : out std_logic);
end AND_Gate;
architecture Behavior of AND_Gate is
begin
Y <= A and B;
end Behavior;
VHDL tiene varios tipos de datos incorporados, incluyendo tipos escalares (por ejemplo, entero, bit), compuestos (por ejemplo, arreglo, registro) y tipos de acceso.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Declaración de arreglo
Las asignaciones de señales ocurren de manera concurrente en VHDL. Puedes controlar señales utilizando asignaciones que se ejecutan cada vez que ocurre un evento.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C se actualiza cuando A o B cambian
VHDL soporta paquetes, que permiten a los usuarios definir componentes y tipos reutilizables. Los paquetes ayudan a organizar el código y promover la reutilización.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
VHDL permite que las configuraciones se establezcan a un nivel superior, habilitando la selección de diferentes arquitecturas para entidades.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
VHDL facilita la creación de bancos de prueba para simular diseños de hardware. Un banco de prueba contiene instancias del diseño bajo prueba y aplica estímulos.
entity TB_AND_Gate is
end TB_AND_Gate;
architecture sim of TB_AND_Gate is
signal A, B : std_logic;
signal Y : std_logic;
begin
uut: entity work.AND_Gate port map (A, B, Y);
-- Proceso de estímulo aquí
end sim;
Las aserciones pueden ser utilizadas para verificar propiedades durante la simulación y ayudar en la depuración de diseños.
assert (A = '1') report "A no está alto" severity error;
Los genéricos permiten la parametrización de diseños, haciéndolos flexibles y reutilizables sin cambiar la lógica central.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Varios Entornos de Desarrollo Integrados (IDEs) y herramientas soportan el desarrollo en VHDL, incluyendo:
Para construir un proyecto VHDL, los diseñadores típicamente escriben su código VHDL en archivos .vhdl o .vhd, crean un banco de prueba para la simulación y utilizan una herramienta apropiada para sintetizar el diseño en un hardware objetivo. El proceso generalmente implica:
VHDL se utiliza predominantemente en el diseño de sistemas digitales que requieren un temporizado y funcionalidad precisos. Sus aplicaciones incluyen:
VHDL puede compararse con varios otros lenguajes de programación, cada uno con sus características únicas y aplicaciones previstas:
C y C++ son lenguajes de programación de propósito general que permiten la programación procedural y orientada a objetos. En contraste, VHDL está diseñado explícitamente para la descripción de hardware, enfocándose en la ejecución concurrente en lugar de secuencial.
Verilog es otro lenguaje de descripción de hardware que comparte similitudes con VHDL, pero generalmente se considera menos verboso. Verilog utiliza una sintaxis más concisa y a menudo se prefiere para el diseño a nivel de sistema.
Python es un lenguaje de scripting de alto nivel que sobresale en el desarrollo rápido de aplicaciones, pero no está diseñado para la descripción directa de hardware. Sin embargo, bibliotecas como MyHDL permiten que el código Python se convierta en VHDL.
MATLAB se utiliza para la computación numérica y el desarrollo de algoritmos, pero puede integrarse con VHDL para la implementación de hardware a través de su HDL Coder y Simulink.
Rust y Ada tienen características que promueven la seguridad de memoria y la programación concurrente, pero no están especializadas en la descripción de hardware. El énfasis de VHDL en la abstracción del hardware es único entre estos lenguajes.
Traducir código fuente de otros lenguajes a VHDL a menudo requiere una consideración especial de la concurrencia y el temporizado que son inherentes al diseño de hardware.
Existen varias herramientas de traducción de código fuente a código fuente disponibles para ayudar en la conversión de código:
En conclusión, VHDL sirve como una herramienta crítica en el diseño digital, ofreciendo características robustas, una rica historia y una variedad de aplicaciones en electrónica y computación. Sus capacidades únicas en la descripción de hardware lo distinguen de muchos lenguajes de programación ampliamente utilizados.