VHDL (VHSIC Hardware Description Language) to potężny i wszechstronny język opisu sprzętu, używany do projektowania, symulacji i syntezy cyfrowych systemów elektronicznych. Opracowany pierwotnie dla programu Very High Speed Integrated Circuits (VHSIC) Departamentu Obrony USA w latach 80-tych, VHDL pozwala inżynierom na tworzenie abstrakcyjnych modeli zachowania i struktury sprzętu. Jego zdolność do opisywania złożonych systemów sprawiła, że stał się niezbędny w różnych branżach, szczególnie w projektach FPGA (Field Programmable Gate Array) i ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).
VHDL został stworzony na początku lat 80-tych jako część wysiłków mających na celu standaryzację projektowania cyfrowych układów. Język został opracowany przez zespół kierowany przez Petera Ashendena w Departamencie Obrony USA, aby zaspokoić potrzebę spójnego sposobu opisu sprzętu. Początkowym zamiarem było ułatwienie dokumentacji istniejących projektów dla programu VHSIC, ale ewoluował w pełnoprawny język opisu sprzętu.
W 1987 roku VHDL został ustandaryzowany przez IEEE jako IEEE 1076. Od tego czasu przeszedł różne aktualizacje, z IEEE 1076-1993 i IEEE 1076-2002 jako znaczącymi rewizjami. Język został rozszerzony o konstrukcje wspierające weryfikację projektów, ograniczenia syntezy i możliwości symulacji.
Dziś VHDL jest szeroko stosowany zarówno w akademii, jak i w przemyśle do projektowania złożonych systemów elektrycznych. Jego składnia i zachowanie są inspirowane językami programowania takimi jak Ada, Pascal i C. Różne narzędzia do symulacji i syntezy mogą interpretować kod VHDL, a często jest używany w połączeniu z innymi językami opisu sprzętu, w szczególności Verilog.
VHDL jest językiem silnie typowanym, co oznacza, że każda zmienna musi być zadeklarowana z określonym typem przed jej użyciem. Zapobiega to wielu powszechnym błędom.
signal CLK : std_logic; -- Deklaracja sygnału typu std_logic
VHDL wspiera równoległe wykonywanie instrukcji. Wiele procesów może działać jednocześnie, co jest niezbędne do modelowania zachowania sprzętu.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Zadanie do wykonania
end if;
end process;
VHDL używa modelu encji-architektury, w którym encja opisuje interfejs komponentu sprzętowego, podczas gdy architektura opisuje jego wewnętrzne zachowanie.
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 ma kilka wbudowanych typów danych, w tym typy skalarne (np. integer, bit), typy złożone (np. tablica, rekord) oraz typy dostępu.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Deklaracja tablicy
Przypisania sygnałów zachodzą równolegle w VHDL. Możesz sterować sygnałami za pomocą przypisań, które są wykonywane, gdy wystąpi zdarzenie.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C jest aktualizowane, gdy A lub B się zmienia
VHDL wspiera pakiety, które pozwalają użytkownikom definiować komponenty i typy do ponownego użycia. Pakiety pomagają w organizacji kodu i promują ponowne użycie.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
VHDL pozwala na ustawienie konfiguracji na wyższym poziomie, umożliwiając wybór różnych architektur dla encji.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
VHDL ułatwia tworzenie test bench do symulacji projektów sprzętowych. Test bench zawiera instancje projektowanego układu i stosuje bodźce.
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);
-- Proces bodźców tutaj
end sim;
Asercje mogą być używane do sprawdzania właściwości podczas symulacji i pomagają w debugowaniu projektów.
assert (A = '1') report "A nie jest wysoki" severity error;
Generiki pozwalają na parametryzację projektów, czyniąc je elastycznymi i wielokrotnego użytku bez zmiany podstawowej logiki.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Istnieje wiele Zintegrowanych Środowisk Programistycznych (IDE) i narzędzi wspierających rozwój VHDL, w tym:
Aby zbudować projekt VHDL, projektanci zazwyczaj piszą swój kod VHDL w plikach .vhdl lub .vhd, tworzą test bench do symulacji i wykorzystują odpowiednie narzędzie do syntezowania projektu w docelowym sprzęcie. Proces zazwyczaj obejmuje:
VHDL jest głównie używany w projektowaniu systemów cyfrowych, które wymagają precyzyjnego czasu i funkcjonalności. Jego zastosowania obejmują:
VHDL można porównać z kilkoma innymi językami programowania, z których każdy ma swoje unikalne cechy i zamierzone zastosowania:
C i C++ to ogólne języki programowania, które pozwalają na programowanie proceduralne i obiektowe. W przeciwieństwie do tego, VHDL jest wyraźnie zaprojektowany do opisu sprzętu, koncentrując się na równoległym wykonywaniu, a nie sekwencyjnym.
Verilog to inny język opisu sprzętu, który ma podobieństwa do VHDL, ale jest ogólnie uważany za mniej rozbudowany. Verilog używa bardziej zwięzłej składni i często jest preferowany do projektowania na poziomie systemu.
Python to język skryptowy wysokiego poziomu, który doskonale sprawdza się w szybkim rozwoju aplikacji, ale nie jest zaprojektowany do bezpośredniego opisu sprzętu. Jednak biblioteki takie jak MyHDL pozwalają na konwersję kodu Pythona na VHDL.
MATLAB jest używany do obliczeń numerycznych i rozwoju algorytmów, ale może być zintegrowany z VHDL do implementacji sprzętowej za pomocą HDL Coder i Simulink.
Rust i Ada mają cechy, które promują bezpieczeństwo pamięci i programowanie równoległe, ale nie są specjalizowane do opisu sprzętu. Nacisk VHDL na abstrakcję sprzętu jest unikalny wśród tych języków.
Tłumaczenie kodu źródłowego z innych języków na VHDL często wymaga szczególnego uwzględnienia równoległości i czasu, które są inherentne w projektowaniu sprzętu.
Istnieje kilka narzędzi do tłumaczenia z kodu źródłowego, które mogą pomóc w konwersji kodu:
Podsumowując, VHDL jest kluczowym narzędziem w projektowaniu cyfrowym, oferującym solidne funkcje, bogatą historię i różnorodne zastosowania w elektronice i informatyce. Jego unikalne możliwości w opisie sprzętu wyróżniają go spośród wielu powszechnie używanych języków programowania.