Le VHDL (VHSIC Hardware Description Language) est un langage de description matériel puissant et polyvalent utilisé pour la conception, la simulation et la synthèse de systèmes électroniques numériques. Développé à l'origine pour le programme des circuits intégrés à très haute vitesse (VHSIC) du département de la Défense des États-Unis dans les années 1980, le VHDL permet aux ingénieurs de créer des modèles abstraits du comportement et de la structure du matériel. Sa capacité à décrire des systèmes complexes en a fait un outil essentiel dans diverses industries, notamment pour les conceptions FPGA (Field Programmable Gate Array) et ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).
Le VHDL a été créé au début des années 1980 dans le cadre d'un effort visant à standardiser la conception de circuits numériques. Le langage a été développé par une équipe dirigée par Peter Ashenden au département de la Défense des États-Unis pour répondre au besoin d'une manière cohérente de décrire le matériel. L'intention initiale était de faciliter la documentation des conceptions existantes pour le programme VHSIC, mais il a évolué en un langage à part entière pour la description matérielle.
En 1987, le VHDL a été standardisé par l'IEEE sous le nom d'IEEE 1076. Depuis lors, il a subi diverses mises à jour, les révisions significatives étant IEEE 1076-1993 et IEEE 1076-2002. Le langage a été étendu pour inclure des constructions qui soutiennent la vérification de conception, les contraintes de synthèse et les capacités de simulation.
Aujourd'hui, le VHDL est largement utilisé tant dans le milieu académique qu'industriel pour la conception de systèmes électriques complexes. Sa syntaxe et son comportement sont influencés par des langages de programmation tels qu'Ada, Pascal et C. Divers outils de simulation et de synthèse peuvent interpréter le code VHDL, et il est souvent utilisé en conjonction avec d'autres langages de description matérielle, notamment Verilog.
Le VHDL est un langage fortement typé, ce qui signifie que chaque variable doit être déclarée avec un type spécifique avant d'être utilisée. Cela prévient de nombreuses erreurs courantes.
signal CLK : std_logic; -- Déclaration d'un signal de type std_logic
Le VHDL prend en charge l'exécution concurrente des instructions. Plusieurs processus peuvent s'exécuter simultanément, ce qui est essentiel pour modéliser le comportement du matériel.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Tâche à effectuer
end if;
end process;
Le VHDL utilise un modèle entité-architecture où l'entité décrit l'interface d'un composant matériel, tandis que l'architecture décrit son comportement interne.
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;
Le VHDL possède plusieurs types de données intégrés, y compris des types scalaires (par exemple, entier, bit), des types composites (par exemple, tableau, enregistrement) et des types d'accès.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Déclaration d'un tableau
Les assignations de signaux se produisent de manière concurrente dans le VHDL. Vous pouvez piloter des signaux à l'aide d'assignations qui s'exécutent chaque fois qu'un événement se produit.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C est mis à jour lorsque A ou B change
Le VHDL prend en charge les packages, qui permettent aux utilisateurs de définir des composants et des types réutilisables. Les packages aident à organiser le code et à promouvoir la réutilisation.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
Le VHDL permet de définir des configurations à un niveau supérieur, permettant la sélection de différentes architectures pour les entités.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
Le VHDL facilite la création de bancs d'essai pour simuler des conceptions matérielles. Un banc d'essai contient des instances de la conception à tester et applique des stimuli.
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);
-- Processus de stimulus ici
end sim;
Les assertions peuvent être utilisées pour vérifier des propriétés pendant la simulation et aider à déboguer les conceptions.
assert (A = '1') report "A n'est pas haut" severity error;
Les génériques permettent la paramétrisation des conceptions, les rendant flexibles et réutilisables sans changer la logique de base.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Plusieurs environnements de développement intégrés (IDE) et outils soutiennent le développement VHDL, notamment :
Pour construire un projet VHDL, les concepteurs écrivent généralement leur code VHDL dans des fichiers .vhdl ou .vhd, créent un banc d'essai pour la simulation et utilisent un outil approprié pour synthétiser la conception en matériel cible. Le processus implique généralement :
Le VHDL est principalement utilisé dans la conception de systèmes numériques nécessitant un timing et une fonctionnalité précis. Ses applications incluent :
Le VHDL peut être comparé à plusieurs autres langages de programmation, chacun ayant ses caractéristiques uniques et ses applications prévues :
C et C++ sont des langages de programmation polyvalents qui permettent la programmation procédurale et orientée objet. En revanche, le VHDL est explicitement conçu pour la description matérielle, se concentrant sur l'exécution concurrente plutôt que séquentielle.
Le Verilog est un autre langage de description matérielle qui partage des similitudes avec le VHDL mais est généralement considéré comme moins verbeux. Le Verilog utilise une syntaxe plus succincte et est souvent préféré pour la conception au niveau système.
Python est un langage de script de haut niveau qui excelle dans le développement rapide d'applications mais n'est pas conçu pour la description matérielle directe. Cependant, des bibliothèques telles que MyHDL permettent de convertir du code Python en VHDL.
MATLAB est utilisé pour le calcul numérique et le développement d'algorithmes, mais peut être intégré avec le VHDL pour la mise en œuvre matérielle via son HDL Coder et Simulink.
Rust et Ada possèdent des caractéristiques qui favorisent la sécurité mémoire et la programmation concurrente, mais ne sont pas spécialisés pour la description matérielle. L'accent mis par le VHDL sur l'abstraction matérielle est unique parmi ces langages.
La traduction de code source d'autres langages en VHDL nécessite souvent une attention particulière à la concurrence et au timing qui sont inhérents à la conception matérielle.
Plusieurs outils de traduction source-à-source sont disponibles pour aider à convertir le code :
En conclusion, le VHDL sert d'outil critique dans la conception numérique, offrant des fonctionnalités robustes, une riche histoire et une variété d'applications dans l'électronique et l'informatique. Ses capacités uniques en matière de description matérielle le distinguent de nombreux langages de programmation largement utilisés.