VHDL (VHSIC Hardware Description Language) är ett kraftfullt och mångsidigt hårdvarubeskrivningsspråk som används för design, simulering och syntes av digitala elektroniska system. Språket utvecklades ursprungligen för det amerikanska försvarsdepartementets program för mycket hög hastighet integrerade kretsar (VHSIC) på 1980-talet. VHDL gör det möjligt för ingenjörer att skapa abstrakta modeller av hårdvarans beteende och struktur. Dess förmåga att beskriva komplexa system har gjort det oumbärligt inom olika industrier, särskilt för FPGA (Field Programmable Gate Array) och ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) designer.
VHDL skapades i början av 1980-talet som en del av en insats för att standardisera designen av digitala kretsar. Språket utvecklades av ett team lett av Peter Ashenden vid det amerikanska försvarsdepartementet för att möta behovet av ett konsekvent sätt att beskriva hårdvara. Den ursprungliga avsikten var att underlätta dokumentationen av befintliga designer för VHSIC-programmet, men det utvecklades till ett fullfjädrat språk för hårdvarubeskrivning.
År 1987 standardiserades VHDL av IEEE som IEEE 1076. Sedan dess har det genomgått olika uppdateringar, där IEEE 1076-1993 och IEEE 1076-2002 är betydande revideringar. Språket har utvidgats för att inkludera konstruktioner som stöder designverifiering, syntesbegränsningar och simuleringsmöjligheter.
Idag används VHDL i stor utsträckning inom både akademin och industrin för att designa komplexa elektriska system. Dess syntax och beteende påverkas av programmeringsspråk som Ada, Pascal och C. Olika verktyg för simulering och syntes kan tolka VHDL-kod, och det används ofta tillsammans med andra hårdvarubeskrivningsspråk, mest anmärkningsvärt Verilog.
VHDL är ett starkt typat språk, vilket innebär att varje variabel måste deklareras med en specifik typ innan den används. Detta förhindrar många vanliga fel.
signal CLK : std_logic; -- Deklarera en signal av typen std_logic
VHDL stöder samtidig exekvering av uttalanden. Flera processer kan köras samtidigt, vilket är avgörande för att modellera hårdvarans beteende.
process (CLK)
begin
if rising_edge(CLK) then
-- Uppgift som ska utföras
end if;
end process;
VHDL använder en entitet-arkitekturmodell där entiteten beskriver gränssnittet för en hårdvarukomponent, medan arkitekturen beskriver dess interna beteende.
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 har flera inbyggda datatyper, inklusive skalära (t.ex. integer, bit), sammansatta (t.ex. array, record) och åtkomsttyper.
type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- Arraydeklaration
Signaltilldelningar sker samtidigt i VHDL. Du kan styra signaler med tilldelningar som utförs när en händelse inträffar.
signal C : std_logic;
C <= A and B; -- C uppdateras när A eller B ändras
VHDL stöder paket, som gör det möjligt för användare att definiera återanvändbara komponenter och typer. Paket hjälper till att organisera koden och främja återanvändning.
package MyLib is
type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;
VHDL tillåter konfigurationer att ställas in på en högre nivå, vilket möjliggör valet av olika arkitekturer för entiteter.
configuration MyConfig of AND_Gate is
for Behavior
end for;
end MyConfig;
VHDL underlättar skapandet av testbänkar för simulering av hårdvarudesign. En testbänk innehåller instanser av den design som testas och tillämpar stimuli.
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);
-- Stimulusprocess här
end sim;
Påståenden kan användas för att kontrollera egenskaper under simulering och hjälpa till med felsökning av designer.
assert (A = '1') report "A är inte hög" severity error;
Generiska tillåter parametrisering av designer, vilket gör dem flexibla och återanvändbara utan att ändra den grundläggande logiken.
entity Counter is
generic (N : integer := 4);
port (CLK : in std_logic;
COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;
Flera integrerade utvecklingsmiljöer (IDE:er) och verktyg stöder VHDL-utveckling, inklusive:
För att bygga ett VHDL-projekt skriver designers vanligtvis sin VHDL-kod i .vhdl eller .vhd filer, skapar en testbänk för simulering och använder ett lämpligt verktyg för att syntetisera designen till en mål hårdvara. Processen involverar vanligtvis:
VHDL används främst i designen av digitala system som kräver exakt timing och funktionalitet. Dess tillämpningar inkluderar:
VHDL kan jämföras med flera andra programmeringsspråk, där varje språk har sina unika funktioner och avsedda tillämpningar:
C och C++ är allmänna programmeringsspråk som tillåter procedur- och objektorienterad programmering. I kontrast är VHDL uttryckligen utformat för hårdvarubeskrivning, med fokus på samtidig exekvering snarare än sekventiell.
Verilog är ett annat hårdvarubeskrivningsspråk som delar likheter med VHDL men som generellt anses vara mindre verbos. Verilog använder en mer kortfattad syntax och föredras ofta för systemnivådesign.
Python är ett hög nivå skriptspråk som excellerar i snabb applikationsutveckling men inte är utformat för direkt hårdvarubeskrivning. Dock tillåter bibliotek som MyHDL att Python-kod konverteras till VHDL.
MATLAB används för numerisk beräkning och algoritmutveckling men kan integreras med VHDL för hårdvaruimplementering genom sin HDL Coder och Simulink.
Rust och Ada har funktioner som främjar minnessäkerhet och samtidig programmering men är inte specialiserade för hårdvarubeskrivning. VHDLs betoning på hårdvaruabstraktion är unik bland dessa språk.
Att översätta källkod från andra språk till VHDL kräver ofta särskild hänsyn till samtidighet och timing som är inneboende i hårdvarudesign.
Flera källkod-till-källkod översättningsverktyg finns tillgängliga för att hjälpa till med att konvertera kod:
Sammanfattningsvis fungerar VHDL som ett kritiskt verktyg inom digital design, med robusta funktioner, en rik historia och en mängd tillämpningar inom elektronik och databehandling. Dess unika kapabiliteter inom hårdvarubeskrivning skiljer det från många allmänt använda programmeringsspråk.