VHDL (VHSIC Hardware Description Language) is een krachtige en veelzijdige hardware beschrijvingstaal die wordt gebruikt voor het ontwerp, de simulatie en de synthese van digitale elektronische systemen. Oorspronkelijk ontwikkeld voor het Very High Speed Integrated Circuits (VHSIC) programma van het Amerikaanse ministerie van Defensie in de jaren '80, stelt VHDL ingenieurs in staat om abstracte modellen van hardwaregedrag en -structuur te creëren. De mogelijkheid om complexe systemen te beschrijven heeft het essentieel gemaakt in verschillende industrieën, vooral voor FPGA (Field Programmable Gate Array) en ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ontwerpen.
VHDL werd in de vroege jaren '80 gecreëerd als onderdeel van een inspanning om het ontwerp van digitale circuits te standaardiseren. De taal werd ontwikkeld door een team onder leiding van Peter Ashenden bij het Amerikaanse ministerie van Defensie om te voldoen aan de behoefte aan een consistente manier om hardware te beschrijven. De oorspronkelijke bedoeling was om de documentatie van bestaande ontwerpen voor het VHSIC-programma te vergemakkelijken, maar het evolueerde tot een volwaardige taal voor hardwarebeschrijving.
In 1987 werd VHDL gestandaardiseerd door de IEEE als IEEE 1076. Sindsdien heeft het verschillende updates ondergaan, waarbij IEEE 1076-1993 en IEEE 1076-2002 belangrijke herzieningen zijn. De taal is uitgebreid met constructies die ontwerpverificatie, synthese-voorwaarden en simulatiemogelijkheden ondersteunen.
Tegenwoordig wordt VHDL veel gebruikt in zowel de academische wereld als de industrie voor het ontwerpen van complexe elektrische systemen. De syntaxis en het gedrag zijn beïnvloed door programmeertalen zoals Ada, Pascal en C. Verschillende tools voor simulatie en synthese kunnen VHDL-code interpreteren, en het wordt vaak gebruikt in combinatie met andere hardware beschrijvingstalen, met name Verilog.
VHDL is een sterk getypeerde taal, wat betekent dat elke variabele moet worden gedeclareerd met een specifiek type voordat deze wordt gebruikt. Dit voorkomt veelvoorkomende fouten.
signal CLK : std_logic; -- Een signaal van het type std_logic declareren
VHDL ondersteunt gelijktijdige uitvoering van verklaringen. Meerdere processen kunnen gelijktijdig draaien, wat essentieel is voor het modelleren van hardwaregedrag.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Taak die moet worden uitgevoerd
end if;
end process;
VHDL gebruikt een entiteit-architectuur model waarbij de entiteit de interface van een hardwarecomponent beschrijft, terwijl de architectuur het interne gedrag beschrijft.
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 heeft verschillende ingebouwde gegevenstypen, waaronder scalair (bijv. integer, bit), samengesteld (bijv. array, record) en toegangstypen.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Array declaratie
Signaaltoewijzingen vinden gelijktijdig plaats in VHDL. Je kunt signalen aansteken met toewijzingen die worden uitgevoerd telkens wanneer er een gebeurtenis plaatsvindt.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C wordt bijgewerkt wanneer A of B verandert
VHDL ondersteunt pakketten, waarmee gebruikers herbruikbare componenten en types kunnen definiëren. Pakketten helpen bij het organiseren van code en bevorderen hergebruik.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
VHDL staat configuraties toe die op een hoger niveau kunnen worden ingesteld, waardoor de selectie van verschillende architecturen voor entiteiten mogelijk is.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
VHDL vergemakkelijkt de creatie van test benches voor het simuleren van hardwareontwerpen. Een test bench bevat instanties van het ontwerp dat wordt getest en past stimuli toe.
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);
-- Stimulus proces hier
end sim;
Asserties kunnen worden gebruikt om eigenschappen tijdens simulatie te controleren en helpen bij het debuggen van ontwerpen.
assert (A = '1') report "A is niet hoog" severity error;
Generics stellen parameterisatie van ontwerpen mogelijk, waardoor ze flexibel en herbruikbaar zijn zonder de kernlogica te veranderen.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Verschillende Integrated Development Environments (IDE's) en tools ondersteunen VHDL-ontwikkeling, waaronder:
Om een VHDL-project te bouwen, schrijven ontwerpers doorgaans hun VHDL-code in .vhdl of .vhd bestanden, creëren een test bench voor simulatie en gebruiken een geschikte tool om het ontwerp te synthetiseren naar een doelhardware. Het proces omvat doorgaans:
VHDL wordt voornamelijk gebruikt in het ontwerp van digitale systemen die nauwkeurige timing en functionaliteit vereisen. De toepassingen omvatten:
VHDL kan worden vergeleken met verschillende andere programmeertalen, die elk unieke kenmerken en beoogde toepassingen hebben:
C en C++ zijn algemene programmeertalen die procedurele en objectgeoriënteerde programmering mogelijk maken. In tegenstelling tot VHDL is deze taal expliciet ontworpen voor hardwarebeschrijving, met de nadruk op gelijktijdige uitvoering in plaats van sequentieel.
Verilog is een andere hardware beschrijvingstaal die overeenkomsten vertoont met VHDL, maar over het algemeen als minder omslachtig wordt beschouwd. Verilog gebruikt een beknoptere syntaxis en wordt vaak geprefereerd voor systeemniveau ontwerp.
Python is een high-level scripttaal die uitblinkt in snelle applicatieontwikkeling, maar niet is ontworpen voor directe hardwarebeschrijving. Bibliotheken zoals MyHDL stellen echter in staat om Python-code om te zetten naar VHDL.
MATLAB wordt gebruikt voor numerieke berekeningen en algoritmeontwikkeling, maar kan worden geïntegreerd met VHDL voor hardware-implementatie via zijn HDL Coder en Simulink.
Rust en Ada hebben functies die geheugenveiligheid en gelijktijdige programmering bevorderen, maar zijn niet gespecialiseerd in hardwarebeschrijving. VHDL's nadruk op hardware-abstractie is uniek onder deze talen.
Het vertalen van broncode uit andere talen naar VHDL vereist vaak speciale aandacht voor gelijktijdigheid en timing die inherent zijn aan hardwareontwerp.
Er zijn verschillende bron-naar-bron vertaaltools beschikbaar om te helpen bij het omzetten van code:
Concluderend, VHDL dient als een cruciaal hulpmiddel in digitaal ontwerp, met robuuste functies, een rijke geschiedenis en een verscheidenheid aan toepassingen in de elektronica en computing. De unieke mogelijkheden in hardwarebeschrijving onderscheiden het van veel veelgebruikte programmeertalen.