VHDL (Язык описания аппаратуры VHSIC) — это мощный и универсальный язык описания аппаратуры, используемый для проектирования, моделирования и синтеза цифровых электронных систем. Изначально разработанный для программы Министерства обороны США по очень быстродействующим интегральным схемам (VHSIC) в 1980-х годах, VHDL позволяет инженерам создавать абстрактные модели поведения и структуры аппаратуры. Его способность описывать сложные системы сделала его незаменимым в различных отраслях, особенно для проектирования FPGA (программируемых логических интегральных схем) и ASIC (интегральных схем специального назначения).
VHDL был создан в начале 1980-х годов в рамках усилий по стандартизации проектирования цифровых схем. Язык был разработан командой под руководством Питера Эшендена в Министерстве обороны США для решения проблемы необходимости последовательного способа описания аппаратуры. Первоначальная цель заключалась в упрощении документирования существующих проектов для программы VHSIC, но он эволюционировал в полноценный язык описания аппаратуры.
В 1987 году VHDL был стандартизирован IEEE как IEEE 1076. С тех пор он претерпел различные обновления, среди которых значительнымиRevision являются IEEE 1076-1993 и IEEE 1076-2002. Язык был расширен, чтобы включать конструкции, поддерживающие верификацию проектирования, ограничения синтеза и возможности моделирования.
Сегодня VHDL широко используется как в академической среде, так и в промышленности для проектирования сложных электрических систем. Его синтаксис и поведение были вдохновлены языками программирования, такими как Ada, Pascal и C. Различные инструменты для моделирования и синтеза могут интерпретировать код VHDL, и он часто используется в сочетании с другими языками описания аппаратуры, особенно Verilog.
VHDL является строго типизированным языком, что означает, что каждая переменная должна быть объявлена с конкретным типом перед использованием. Это предотвращает многие распространенные ошибки.
signal CLK : std_logic; -- Объявление сигнала типа std_logic
VHDL поддерживает параллельное выполнение операторов. Несколько процессов могут выполняться одновременно, что является важным для моделирования поведения аппаратуры.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Задача, которую нужно выполнить
end if;
end process;
VHDL использует модель сущность-архитектура, где сущность описывает интерфейс аппаратного компонента, а архитектура описывает его внутреннее поведение.
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 имеет несколько встроенных типов данных, включая скалярные (например, integer, bit), составные (например, array, record) и типы доступа.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Объявление массива
Присвоения сигналов происходят параллельно в VHDL. Вы можете управлять сигналами с помощью присвоений, которые выполняются всякий раз, когда происходит событие.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C обновляется, когда A или B изменяются
VHDL поддерживает пакеты, которые позволяют пользователям определять повторно используемые компоненты и типы. Пакеты помогают организовать код и способствуют его повторному использованию.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
VHDL позволяет устанавливать конфигурации на более высоком уровне, что позволяет выбирать различные архитектуры для сущностей.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
VHDL облегчает создание тестовых стендов для моделирования аппаратных дизайнов. Тестовый стенд содержит экземпляры проектируемой схемы и применяет стимулы.
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);
-- Процесс стимуляции здесь
end sim;
Утверждения могут использоваться для проверки свойств во время моделирования и помогают в отладке дизайнов.
assert (A = '1') report "A не высокий" severity error;
Генерики позволяют параметризовать дизайны, делая их гибкими и повторно используемыми без изменения основной логики.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Существует несколько интегрированных сред разработки (IDE) и инструментов, поддерживающих разработку на VHDL, включая:
Для создания проекта VHDL разработчики обычно пишут свой код VHDL в файлах с расширением .vhdl или .vhd, создают тестовый стенд для моделирования и используют соответствующий инструмент для синтеза дизайна в целевое оборудование. Процесс обычно включает:
VHDL в основном используется в проектировании цифровых систем, которые требуют точного времени и функциональности. Его применения включают:
VHDL можно сравнить с несколькими другими языками программирования, каждый из которых имеет свои уникальные особенности и предназначенные приложения:
C и C++ — это языки общего назначения, которые позволяют процедурное и объектно-ориентированное программирование. В отличие от этого, VHDL специально разработан для описания аппаратуры, сосредотачиваясь на параллельном выполнении, а не на последовательном.
Verilog — это еще один язык описания аппаратуры, который имеет сходства с VHDL, но обычно считается менее многословным. Verilog использует более лаконичный синтаксис и часто предпочитается для проектирования на уровне системы.
Python — это язык высокого уровня, который отлично подходит для быстрого разработки приложений, но не предназначен для прямого описания аппаратуры. Однако такие библиотеки, как MyHDL, позволяют преобразовывать код Python в VHDL.
MATLAB используется для численных вычислений и разработки алгоритмов, но может быть интегрирован с VHDL для аппаратной реализации через его HDL Coder и Simulink.
Rust и Ada имеют функции, которые способствуют безопасности памяти и параллельному программированию, но не специализированы для описания аппаратуры. Акцент VHDL на абстракции аппаратуры уникален среди этих языков.
Перевод исходного кода из других языков в VHDL часто требует особого внимания к параллельности и времени, которые являются неотъемлемыми в проектировании аппаратуры.
Существует несколько инструментов для перевода с языка на язык, которые могут помочь в преобразовании кода:
В заключение, VHDL служит критически важным инструментом в цифровом проектировании, предлагая надежные функции, богатую историю и разнообразные приложения в области электроники и вычислений. Его уникальные возможности в описании аппаратуры выделяют его среди многих широко используемых языков программирования.