编程语言 VHDL

VHDL语言

VHDL概述

VHDL（VHSIC硬件描述语言）是一种强大而多功能的硬件描述语言，用于数字电子系统的设计、仿真和综合。VHDL最初是在1980年代为美国国防部的超高速集成电路（VHSIC）项目开发的，允许工程师创建硬件行为和结构的抽象模型。其描述复杂系统的能力使其在各个行业中变得不可或缺，尤其是在FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（特定应用集成电路）设计中。

历史方面

创建

VHDL是在1980年代初期创建的，作为标准化数字电路设计的一部分。该语言由美国国防部的彼得·阿申登（Peter Ashenden）领导的团队开发，以满足对一致描述硬件的需求。最初的目的是为了便于VHSIC项目现有设计的文档化，但它逐渐演变成一种完整的硬件描述语言。

标准化与演变

1987年，VHDL被IEEE标准化为IEEE 1076。从那时起，它经历了多次更新，其中IEEE 1076-1993和IEEE 1076-2002是重要的修订。该语言已扩展以包括支持设计验证、综合约束和仿真能力的构造。

现状与影响

如今，VHDL在学术界和工业界广泛用于设计复杂的电气系统。其语法和行为受到Ada、Pascal和C等编程语言的影响。各种仿真和综合工具可以解释VHDL代码，且通常与其他硬件描述语言（尤其是Verilog）一起使用。

语法特性

强类型

VHDL是一种强类型语言，这意味着每个变量在使用之前必须声明特定类型。这可以防止许多常见错误。

signal CLK : std_logic; -- 声明一个类型为std_logic的信号

并发语句

VHDL支持语句的并发执行。多个进程可以同时运行，这对于建模硬件行为至关重要。

process (CLK)
begin
    if rising_edge(CLK) then
        -- 要执行的任务
    end if;
end process;

实体-架构模型

VHDL使用实体-架构模型，其中实体描述硬件组件的接口，而架构描述其内部行为。

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;

数据类型

VHDL有几种内置数据类型，包括标量（例如，整数、位）、复合（例如，数组、记录）和访问类型。

type MyArray is array (0 to 9) of integer; -- 数组声明

信号赋值

在VHDL中，信号赋值是并发发生的。您可以使用在事件发生时执行的赋值来驱动信号。

signal C : std_logic;
C <= A and B; -- 当A或B变化时，C会被更新

包

VHDL支持包，允许用户定义可重用的组件和类型。包有助于组织代码并促进重用。

package MyLib is
    type MyType is array (0 to 7) of std_logic_vector(3 downto 0);
end MyLib;

配置

VHDL允许在更高层次上设置配置，从而选择不同的架构用于实体。

configuration MyConfig of AND_Gate is
    for Behavior
    end for;
end MyConfig;

测试平台创建

VHDL便于创建测试平台以模拟硬件设计。测试平台包含被测试设计的实例并施加刺激。

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);
    -- 这里的刺激过程
end sim;

断言

可以使用断言在仿真期间检查属性，并帮助调试设计。

assert (A = '1') report "A is not high" severity error;

泛型

泛型允许设计参数化，使其灵活且可重用，而无需更改核心逻辑。

entity Counter is
    generic (N : integer := 4);
    port (CLK : in std_logic;
          COUNT : out std_logic_vector(N-1 downto 0));
end Counter;

开发工具和运行时

IDE和工具

多种集成开发环境（IDE）和工具支持VHDL开发，包括：

Modelsim：广泛用于VHDL和Verilog设计的仿真。
Vivado：一个全面的FPGA设计开发环境，支持VHDL。
Quartus：英特尔（前Altera）的FPGA编程和设计工具，包含对VHDL的支持。
GHDL：一个符合VHDL标准的开源VHDL仿真器。

构建项目

要构建VHDL项目，设计人员通常在.vhdl或.vhd文件中编写VHDL代码，创建用于仿真的测试平台，并利用适当的工具将设计综合到目标硬件中。该过程通常包括：

编写VHDL代码。
使用所选工具编译代码。
仿真和测试设计。
将设计综合用于硬件实现。

VHDL的应用

VHDL主要用于需要精确时序和功能的数字系统设计。其应用包括：

FPGA设计：为电信、汽车和消费电子等各种应用编程FPGA。
ASIC设计：为移动设备和医疗设备等特定功能设计定制芯片。
测试与验证：创建仿真模型以验证硬件设计在物理实现之前的有效性。
教育目的：在学术机构教授数字电路设计和硬件描述。

与相关语言的比较

VHDL可以与其他几种编程语言进行比较，每种语言都有其独特的特性和预期应用：

C和C++

C和C++是通用编程语言，允许过程式和面向对象编程。相比之下，VHDL专门设计用于硬件描述，侧重于并发执行而非顺序执行。

Verilog

Verilog是另一种硬件描述语言，与VHDL有相似之处，但通常被认为不够冗长。Verilog使用更简洁的语法，通常更受系统级设计的青睐。

Python

Python是一种高级脚本语言，擅长快速应用开发，但并不专门用于直接硬件描述。然而，像MyHDL这样的库允许将Python代码转换为VHDL。

MATLAB

MATLAB用于数值计算和算法开发，但可以通过其HDL Coder和Simulink与VHDL集成以实现硬件实现。

Rust和Ada

Rust和Ada具有促进内存安全和并发编程的特性，但并不专门用于硬件描述。VHDL在硬件抽象方面的强调在这些语言中是独特的。

源到源翻译提示

将其他语言的源代码翻译为VHDL通常需要特别考虑硬件设计中固有的并发性和时序。

现有工具

有几种源到源翻译工具可用于帮助转换代码：

MyHDL：一个Python库，允许用户用Python编写并转换为VHDL或Verilog。
可综合C：一些工具可以将类似C的代码翻译为VHDL，特别是用于高层次综合。

总之，VHDL作为数字设计中的关键工具，提供了强大的特性、丰富的历史和广泛的应用。其在硬件描述方面的独特能力使其与许多广泛使用的编程语言区分开来。