VHDL (VHSIC 하드웨어 설명 언어)은 디지털 전자 시스템의 설계, 시뮬레이션 및 합성을 위해 사용되는 강력하고 다재다능한 하드웨어 설명 언어입니다. 1980년대 미국 국방부의 매우 고속 집적 회로(VHSIC) 프로그램을 위해 처음 개발된 VHDL은 엔지니어들이 하드웨어 동작 및 구조의 추상 모델을 생성할 수 있도록 합니다. 복잡한 시스템을 설명할 수 있는 능력 덕분에 VHDL은 다양한 산업에서 필수적이며, 특히 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 및 ASIC(응용 프로그램 특정 집적 회로) 설계에 널리 사용됩니다.
VHDL은 디지털 회로 설계를 표준화하기 위한 노력의 일환으로 1980년대 초에 만들어졌습니다. 이 언어는 하드웨어를 일관되게 설명할 필요성을 해결하기 위해 미국 국방부의 피터 애쉬든(Peter Ashenden) 팀에 의해 개발되었습니다. 초기 의도는 VHSIC 프로그램을 위한 기존 설계의 문서화를 용이하게 하는 것이었지만, 하드웨어 설명을 위한 완전한 언어로 발전하게 되었습니다.
1987년 VHDL은 IEEE에 의해 IEEE 1076으로 표준화되었습니다. 그 이후로 여러 차례 업데이트가 이루어졌으며, IEEE 1076-1993 및 IEEE 1076-2002는 중요한 개정판입니다. 이 언어는 설계 검증, 합성 제약 및 시뮬레이션 기능을 지원하는 구성 요소를 포함하도록 확장되었습니다.
현재 VHDL은 복잡한 전기 시스템 설계에 있어 학계와 산업 모두에서 널리 사용되고 있습니다. VHDL의 구문과 동작은 Ada, Pascal 및 C와 같은 프로그래밍 언어의 영향을 받았습니다. 다양한 시뮬레이션 및 합성 도구가 VHDL 코드를 해석할 수 있으며, 종종 다른 하드웨어 설명 언어, 특히 Verilog와 함께 사용됩니다.
VHDL은 강타입 언어로, 모든 변수는 사용되기 전에 특정 타입으로 선언되어야 합니다. 이는 많은 일반적인 오류를 방지합니다.
signal CLK : std_logic; -- std_logic 타입의 신호 선언
VHDL은 문장의 동시 실행을 지원합니다. 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있으며, 이는 하드웨어 동작 모델링에 필수적입니다.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- 수행할 작업
end if;
end process;
VHDL은 엔티티-아키텍처 모델을 사용하여 엔티티가 하드웨어 구성 요소의 인터페이스를 설명하고, 아키텍처가 내부 동작을 설명합니다.
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;
VHDL에는 스칼라(예: integer, bit), 복합(예: array, record), 접근 타입 등 여러 내장 데이터 타입이 있습니다.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- 배열 선언
VHDL에서는 신호 할당이 동시적으로 발생합니다. 이벤트가 발생할 때마다 실행되는 할당을 사용하여 신호를 구동할 수 있습니다.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- A 또는 B가 변경될 때 C가 업데이트됨
VHDL은 패키지를 지원하여 사용자가 재사용 가능한 구성 요소와 타입을 정의할 수 있습니다. 패키지는 코드를 조직하고 재사용을 촉진하는 데 도움이 됩니다.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
VHDL은 더 높은 수준에서 구성을 설정할 수 있도록 하여 엔티티에 대해 다양한 아키텍처를 선택할 수 있게 합니다.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
VHDL은 하드웨어 설계를 시뮬레이션하기 위한 테스트 벤치 생성을 용이하게 합니다. 테스트 벤치는 테스트 중인 설계의 인스턴스를 포함하고 자극을 적용합니다.
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);
-- 자극 프로세스 여기
end sim;
어설션은 시뮬레이션 중 속성을 확인하고 설계를 디버깅하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
assert (A = '1') report "A가 높지 않음" severity error;
제너릭은 설계의 매개변수를 설정할 수 있게 하여 핵심 논리를 변경하지 않고도 유연하고 재사용 가능하게 만듭니다.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
여러 통합 개발 환경(IDE) 및 도구가 VHDL 개발을 지원합니다:
VHDL 프로젝트를 빌드하기 위해 설계자는 일반적으로 .vhdl 또는 .vhd 파일에 VHDL 코드를 작성하고, 시뮬레이션을 위한 테스트 벤치를 생성하며, 적절한 도구를 사용하여 설계를 대상 하드웨어로 합성합니다. 이 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 포함합니다:
VHDL은 정밀한 타이밍과 기능이 요구되는 디지털 시스템 설계에 주로 사용됩니다. 그 응용 분야는 다음과 같습니다:
VHDL은 여러 다른 프로그래밍 언어와 비교할 수 있으며, 각 언어는 고유한 특징과 의도된 응용 프로그램을 가지고 있습니다:
C 및 C++는 절차적 및 객체 지향 프로그래밍을 허용하는 범용 프로그래밍 언어입니다. 반면 VHDL은 하드웨어 설명을 위해 명시적으로 설계되어 있으며, 순차적 실행보다는 동시 실행에 중점을 둡니다.
Verilog는 VHDL과 유사한 또 다른 하드웨어 설명 언어로, 일반적으로 덜 장황한 것으로 간주됩니다. Verilog는 더 간결한 구문을 사용하며 시스템 수준 설계에 자주 선호됩니다.
Python은 빠른 응용 프로그램 개발에 뛰어난 고급 스크립팅 언어이지만 직접 하드웨어 설명을 위해 설계되지 않았습니다. 그러나 MyHDL과 같은 라이브러리를 사용하면 Python 코드를 VHDL로 변환할 수 있습니다.
MATLAB은 수치 계산 및 알고리즘 개발에 사용되지만, HDL Coder 및 Simulink를 통해 하드웨어 구현과 VHDL을 통합할 수 있습니다.
Rust와 Ada는 메모리 안전성과 동시 프로그래밍을 촉진하는 기능을 가지고 있지만 하드웨어 설명에 특화되어 있지 않습니다. VHDL의 하드웨어 추상화 강조는 이러한 언어들 중에서 독특합니다.
다른 언어에서 VHDL로 소스 코드를 변환할 때는 하드웨어 설계에 내재된 동시성과 타이밍을 특별히 고려해야 합니다.
코드 변환을 지원하는 여러 소스-투-소스 변환 도구가 있습니다:
결론적으로, VHDL은 디지털 설계에서 중요한 도구로, 강력한 기능, 풍부한 역사 및 전자 및 컴퓨팅 전반에 걸친 다양한 응용 프로그램을 제공합니다. 하드웨어 설명에서의 독특한 능력은 많은 널리 사용되는 프로그래밍 언어와 차별화됩니다.