VHDL (VHSIC Hardware Description Language) é uma linguagem de descrição de hardware poderosa e versátil, utilizada para o design, simulação e síntese de sistemas eletrônicos digitais. Desenvolvida originalmente para o programa de Circuitos Integrados de Muito Alta Velocidade (VHSIC) do Departamento de Defesa dos EUA na década de 1980, o VHDL permite que engenheiros criem modelos abstratos do comportamento e da estrutura do hardware. Sua capacidade de descrever sistemas complexos tornou-se essencial em várias indústrias, especialmente para designs de FPGA (Field Programmable Gate Array) e ASIC (Application-Specific Integrated Circuit).
O VHDL foi criado no início da década de 1980 como parte de um esforço para padronizar o design de circuitos digitais. A linguagem foi desenvolvida por uma equipe liderada por Peter Ashenden no Departamento de Defesa dos EUA para atender à necessidade de uma maneira consistente de descrever hardware. A intenção inicial era facilitar a documentação de designs existentes para o programa VHSIC, mas evoluiu para uma linguagem completa de descrição de hardware.
Em 1987, o VHDL foi padronizado pelo IEEE como IEEE 1076. Desde então, passou por várias atualizações, sendo IEEE 1076-1993 e IEEE 1076-2002 revisões significativas. A linguagem foi estendida para incluir construções que suportam verificação de design, restrições de síntese e capacidades de simulação.
Hoje, o VHDL é amplamente utilizado tanto na academia quanto na indústria para projetar sistemas elétricos complexos. Sua sintaxe e comportamento são influenciados por linguagens de programação como Ada, Pascal e C. Várias ferramentas para simulação e síntese podem interpretar código VHDL, e frequentemente é usado em conjunto com outras linguagens de descrição de hardware, notavelmente o Verilog.
O VHDL é uma linguagem de tipagem forte, o que significa que toda variável deve ser declarada com um tipo específico antes de ser utilizada. Isso previne muitos erros comuns.
signal CLK : std_logic; -- Declarando um sinal do tipo std_logic
O VHDL suporta a execução concorrente de declarações. Múltiplos processos podem ser executados simultaneamente, o que é essencial para modelar o comportamento do hardware.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Tarefa a ser realizada
end if;
end process;
O VHDL utiliza um modelo entidade-arquitetura onde a entidade descreve a interface de um componente de hardware, enquanto a arquitetura descreve seu 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;
O VHDL possui vários tipos de dados embutidos, incluindo tipos escalares (por exemplo, inteiro, bit), compostos (por exemplo, array, registro) e tipos de acesso.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Declaração de array
As atribuições de sinais ocorrem de forma concorrente no VHDL. Você pode acionar sinais usando atribuições que são executadas sempre que um evento ocorre.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C é atualizado quando A ou B muda
O VHDL suporta pacotes, que permitem aos usuários definir componentes e tipos reutilizáveis. Os pacotes ajudam a organizar o código e promover a reutilização.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
O VHDL permite que configurações sejam definidas em um nível mais alto, possibilitando a seleção de diferentes arquiteturas para entidades.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
O VHDL facilita a criação de bancos de teste para simular designs de hardware. Um banco de teste contém instâncias do design em teste e aplica estímulos.
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 de estímulo aqui
end sim;
Aserções podem ser usadas para verificar propriedades durante a simulação e ajudar na depuração de designs.
assert (A = '1') report "A não está alto" severity error;
Genéricos permitem a parametrização de designs, tornando-os flexíveis e reutilizáveis sem alterar a lógica central.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Várias Ambientes de Desenvolvimento Integrados (IDEs) e ferramentas suportam o desenvolvimento em VHDL, incluindo:
Para construir um projeto VHDL, os designers normalmente escrevem seu código VHDL em arquivos .vhdl ou .vhd, criam um banco de teste para simulação e utilizam uma ferramenta apropriada para sintetizar o design em um hardware alvo. O processo geralmente envolve:
O VHDL é predominantemente utilizado no design de sistemas digitais que requerem temporização e funcionalidade precisas. Suas aplicações incluem:
O VHDL pode ser comparado a várias outras linguagens de programação, cada uma com suas características únicas e aplicações pretendidas:
C e C++ são linguagens de programação de propósito geral que permitem programação procedural e orientada a objetos. Em contraste, o VHDL é explicitamente projetado para descrição de hardware, focando na execução concorrente em vez de sequencial.
Verilog é outra linguagem de descrição de hardware que compartilha semelhanças com o VHDL, mas é geralmente considerada menos verbosa. O Verilog utiliza uma sintaxe mais sucinta e é frequentemente preferido para design em nível de sistema.
Python é uma linguagem de script de alto nível que se destaca no desenvolvimento rápido de aplicações, mas não é projetada para descrição direta de hardware. No entanto, bibliotecas como MyHDL permitem que o código Python seja convertido em VHDL.
MATLAB é utilizado para computação numérica e desenvolvimento de algoritmos, mas pode ser integrado ao VHDL para implementação de hardware através de seu HDL Coder e Simulink.
Rust e Ada possuem características que promovem segurança de memória e programação concorrente, mas não são especializadas para descrição de hardware. A ênfase do VHDL na abstração de hardware é única entre essas linguagens.
Traduzir código fonte de outras linguagens para VHDL muitas vezes requer consideração especial da concorrência e temporização que são inerentes ao design de hardware.
Várias ferramentas de tradução de fonte para fonte estão disponíveis para ajudar na conversão de código:
Em conclusão, o VHDL serve como uma ferramenta crítica no design digital, oferecendo recursos robustos, uma rica história e uma variedade de aplicações em eletrônica e computação. Suas capacidades únicas em descrição de hardware o destacam de muitas linguagens de programação amplamente utilizadas.