VHDL (VHSIC Hardware Description Language) è un linguaggio di descrizione hardware potente e versatile utilizzato per la progettazione, simulazione e sintesi di sistemi elettronici digitali. Sviluppato originariamente per il programma Very High Speed Integrated Circuits (VHSIC) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti negli anni '80, VHDL consente agli ingegneri di creare modelli astratti del comportamento e della struttura dell'hardware. La sua capacità di descrivere sistemi complessi lo ha reso essenziale in vari settori, specialmente per le progettazioni FPGA (Field Programmable Gate Array) e ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).
Il VHDL è stato creato all'inizio degli anni '80 come parte di uno sforzo per standardizzare la progettazione di circuiti digitali. Il linguaggio è stato sviluppato da un team guidato da Peter Ashenden presso il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per rispondere alla necessità di un modo coerente di descrivere l'hardware. L'intento iniziale era quello di facilitare la documentazione dei progetti esistenti per il programma VHSIC, ma si è evoluto in un linguaggio a tutti gli effetti per la descrizione dell'hardware.
Nel 1987, il VHDL è stato standardizzato dall'IEEE come IEEE 1076. Da allora, ha subito vari aggiornamenti, con IEEE 1076-1993 e IEEE 1076-2002 che rappresentano revisioni significative. Il linguaggio è stato esteso per includere costrutti che supportano la verifica del design, vincoli di sintesi e capacità di simulazione.
Oggi, il VHDL è ampiamente utilizzato sia in ambito accademico che industriale per la progettazione di sistemi elettrici complessi. La sua sintassi e comportamento sono influenzati da linguaggi di programmazione come Ada, Pascal e C. Vari strumenti per la simulazione e la sintesi possono interpretare il codice VHDL, ed è spesso utilizzato in combinazione con altri linguaggi di descrizione hardware, in particolare Verilog.
Il VHDL è un linguaggio a tipizzazione forte, il che significa che ogni variabile deve essere dichiarata con un tipo specifico prima di essere utilizzata. Questo previene molti errori comuni.
signal CLK : std_logic; -- Dichiarazione di un segnale di tipo std_logic
Il VHDL supporta l'esecuzione concorrente delle dichiarazioni. Più processi possono essere eseguiti simultaneamente, il che è essenziale per modellare il comportamento dell'hardware.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Compito da eseguire
end if;
end process;
Il VHDL utilizza un modello entità-architettura in cui l'entità descrive l'interfaccia di un componente hardware, mentre l'architettura descrive il suo comportamento 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;
Il VHDL ha diversi tipi di dati incorporati, tra cui scalari (ad es., intero, bit), compositi (ad es., array, record) e tipi di accesso.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Dichiarazione di un array
Le assegnazioni di segnale avvengono in modo concorrente nel VHDL. Puoi guidare i segnali utilizzando assegnazioni che vengono eseguite ogni volta che si verifica un evento.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C viene aggiornato quando A o B cambiano
Il VHDL supporta i pacchetti, che consentono agli utenti di definire componenti e tipi riutilizzabili. I pacchetti aiutano a organizzare il codice e promuovere il riutilizzo.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
Il VHDL consente di impostare configurazioni a un livello superiore, abilitando la selezione di diverse architetture per le entità.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
Il VHDL facilita la creazione di test bench per simulare progetti hardware. Un test bench contiene istanze del design in fase di test e applica stimoli.
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);
-- Processo di stimolo qui
end sim;
Le asserzioni possono essere utilizzate per controllare proprietà durante la simulazione e aiutare nel debug dei progetti.
assert (A = '1') report "A non è alto" severity error;
I generici consentono la parametrizzazione dei progetti, rendendoli flessibili e riutilizzabili senza modificare la logica di base.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Diversi Ambienti di Sviluppo Integrati (IDE) e strumenti supportano lo sviluppo VHDL, tra cui:
Per costruire un progetto VHDL, i progettisti scrivono tipicamente il loro codice VHDL in file .vhdl o .vhd, creano un test bench per la simulazione e utilizzano uno strumento appropriato per sintetizzare il design in un hardware target. Il processo tipicamente coinvolge:
Il VHDL è prevalentemente utilizzato nella progettazione di sistemi digitali che richiedono tempistiche e funzionalità precise. Le sue applicazioni includono:
Il VHDL può essere confrontato con diversi altri linguaggi di programmazione, ognuno con le proprie caratteristiche uniche e applicazioni previste:
C e C++ sono linguaggi di programmazione di uso generale che consentono programmazione procedurale e orientata agli oggetti. Al contrario, il VHDL è esplicitamente progettato per la descrizione hardware, concentrandosi sull'esecuzione concorrente piuttosto che sequenziale.
Il Verilog è un altro linguaggio di descrizione hardware che condivide somiglianze con il VHDL ma è generalmente considerato meno verboso. Il Verilog utilizza una sintassi più concisa ed è spesso preferito per la progettazione a livello di sistema.
Python è un linguaggio di scripting di alto livello che eccelle nello sviluppo rapido di applicazioni ma non è progettato per la descrizione hardware diretta. Tuttavia, librerie come MyHDL consentono di convertire il codice Python in VHDL.
MATLAB è utilizzato per il calcolo numerico e lo sviluppo di algoritmi, ma può essere integrato con VHDL per l'implementazione hardware attraverso il suo HDL Coder e Simulink.
Rust e Ada hanno caratteristiche che promuovono la sicurezza della memoria e la programmazione concorrente, ma non sono specializzati per la descrizione hardware. L'enfasi del VHDL sull'astrazione hardware è unica tra questi linguaggi.
Tradurre codice sorgente da altri linguaggi in VHDL richiede spesso una considerazione speciale della concorrenza e del timing che è intrinseca nella progettazione hardware.
Diversi strumenti di traduzione da codice a codice sono disponibili per assistere nella conversione del codice:
In conclusione, il VHDL serve come uno strumento critico nella progettazione digitale, offrendo funzionalità robuste, una ricca storia e una varietà di applicazioni nell'elettronica e nell'informatica. Le sue capacità uniche nella descrizione hardware lo distinguono da molti linguaggi di programmazione ampiamente utilizzati.