プログラミング言語 VHDL

VHDL言語

VHDLの概要

VHDL（VHSICハードウェア記述言語）は、デジタル電子システムの設計、シミュレーション、および合成に使用される強力で多用途なハードウェア記述言語です。1980年代にアメリカ国防総省の非常に高速集積回路（VHSIC）プログラムのために開発され、エンジニアがハードウェアの動作と構造の抽象モデルを作成できるようにします。複雑なシステムを記述する能力により、特にFPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）やASIC（アプリケーション固有集積回路）の設計において、さまざまな業界で不可欠な存在となっています。

歴史的側面

創造

VHDLは、デジタル回路の設計を標準化する努力の一環として1980年代初頭に作成されました。この言語は、ハードウェアを一貫して記述する方法の必要性に応えるために、アメリカ国防総省のピーター・アシェンデンが率いるチームによって開発されました。最初の目的は、VHSICプログラムの既存設計の文書化を容易にすることでしたが、次第にハードウェア記述のための本格的な言語へと進化しました。

標準化と進化

1987年、VHDLはIEEEによってIEEE 1076として標準化されました。それ以来、さまざまな更新が行われ、IEEE 1076-1993およびIEEE 1076-2002が重要な改訂となっています。この言語は、設計検証、合成制約、およびシミュレーション機能をサポートする構文を含むように拡張されました。

現在の状態と影響

現在、VHDLは複雑な電気システムの設計において、学界と産業の両方で広く使用されています。その構文と動作は、Ada、Pascal、Cなどのプログラミング言語の影響を受けています。さまざまなシミュレーションおよび合成ツールがVHDLコードを解釈でき、他のハードウェア記述言語、特にVerilogと組み合わせて使用されることがよくあります。

構文の特徴

強い型付け

VHDLは強い型付けの言語であり、すべての変数は使用される前に特定の型で宣言されなければなりません。これにより、多くの一般的なエラーを防ぐことができます。

signal CLK : std_logic; -- std_logic型の信号を宣言

同時ステートメント

VHDLはステートメントの同時実行をサポートしています。複数のプロセスが同時に実行でき、これはハードウェアの動作をモデル化するために不可欠です。

process (CLK)
begin
    if rising_edge(CLK) then
        -- 実行されるタスク
    end if;
end process;

エンティティ-アーキテクチャモデル

VHDLはエンティティ-アーキテクチャモデルを使用しており、エンティティはハードウェアコンポーネントのインターフェースを記述し、アーキテクチャはその内部動作を記述します。

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;

データ型

VHDLには、スカラー（例：integer、bit）、複合（例：array、record）、およびアクセス型を含むいくつかの組み込みデータ型があります。

type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- 配列の宣言

信号割り当て

VHDLでは信号の割り当てが同時に行われます。イベントが発生するたびに実行される割り当てを使用して信号を駆動できます。

signal C : std_logic;
C <= A and B; -- AまたはBが変化するとCが更新される

パッケージ

VHDLはパッケージをサポートしており、ユーザーが再利用可能なコンポーネントや型を定義できるようにします。パッケージはコードの整理と再利用の促進に役立ちます。

package MyLib is
    type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;

設定

VHDLでは、より高いレベルで設定を行うことができ、エンティティの異なるアーキテクチャを選択できるようになります。

configuration MyConfig of AND_Gate is
    for Behavior
    end for;
end MyConfig;

テストベンチの作成

VHDLはハードウェア設計をシミュレーションするためのテストベンチの作成を容易にします。テストベンチには、テスト対象の設計のインスタンスが含まれ、刺激を適用します。

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);
    -- ここに刺激プロセス
end sim;

アサーション

アサーションは、シミュレーション中にプロパティをチェックし、設計のデバッグに役立ちます。

assert (A = '1') report "A is not high" severity error;

ジェネリック

ジェネリックは設計のパラメータ化を可能にし、コアロジックを変更することなく柔軟で再利用可能にします。

entity Counter is
    generic (N : integer := 4);
    port (CLK : in std_logic;
          COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;

開発者のツールとランタイム

IDEとツール

VHDL開発をサポートするいくつかの統合開発環境（IDE）やツールがあります。

プロジェクトの構築

VHDLプロジェクトを構築するために、設計者は通常、.vhdlまたは.vhdファイルにVHDLコードを書き、シミュレーション用のテストベンチを作成し、設計をターゲットハードウェアに合成するために適切なツールを利用します。このプロセスは通常、以下の手順を含みます。

  1. VHDLコードを書く。
  2. 選択したツールを使用してコードをコンパイルする。
  3. 設計をシミュレーションおよびテストする。
  4. ハードウェア実装のために設計を合成する。

VHDLの応用

VHDLは、正確なタイミングと機能が要求されるデジタルシステムの設計に主に使用されます。その応用には以下が含まれます。

関連言語との比較

VHDLは、各々独自の特徴と意図された応用を持ついくつかの他のプログラミング言語と比較できます。

CおよびC++

CおよびC++は、手続き型およびオブジェクト指向プログラミングを許可する汎用プログラミング言語です。それに対して、VHDLはハードウェア記述のために明示的に設計されており、逐次的ではなく同時実行に焦点を当てています。

Verilog

Verilogは、VHDLと類似点を持つ別のハードウェア記述言語ですが、一般的に冗長性が少ないと考えられています。Verilogはより簡潔な構文を使用し、システムレベルの設計に好まれることが多いです。

Python

Pythonは、高度なアプリケーション開発に優れた高水準スクリプト言語ですが、直接的なハードウェア記述のためには設計されていません。しかし、MyHDLなどのライブラリを使用することで、PythonコードをVHDLに変換することができます。

MATLAB

MATLABは数値計算およびアルゴリズム開発に使用されますが、HDL CoderやSimulinkを通じてVHDLとの統合が可能です。

RustおよびAda

RustおよびAdaは、メモリ安全性や同時プログラミングを促進する機能を持っていますが、ハードウェア記述に特化しているわけではありません。VHDLのハードウェア抽象化に対する強調は、これらの言語の中で独特です。

ソースからソースへの翻訳のヒント

他の言語からVHDLへのソースコードの翻訳は、ハードウェア設計に固有の同時性やタイミングを特別に考慮する必要があります。

既存のツール

コードの変換を支援するためのいくつかのソースからソースへの翻訳ツールがあります。

結論として、VHDLはデジタル設計において重要なツールとして機能し、堅牢な機能、豊かな歴史、および電子機器やコンピューティングにおけるさまざまな応用を提供します。ハードウェア記述におけるその独自の能力は、多くの広く使用されているプログラミング言語とは一線を画しています。