1.10.2. Введение в vhdl

Существует два популярных представителя группы языков HDL (Hardware Description Language), предназначенных для описания цифровых аппаратных средств, это Verilog и VHDL: первый более краткий, менее гибкий, менее приятный; второй многословный, очень гибкий и более приятный.

История VHDL восходит к 80-м годам прошлого века. В это время многие системы проектирования использовали графические HDL, когда наиболее общим строительным блоком был логический вентиль. Однако разработчики использовали и текстовые HDL, преимущество которых состояло в простоте представления сложных преобразований с использованием переменных, циклов и рекурсий. По мере усложнения устройств текстовые HDL почти полностью вытеснили графические.

Язык VHDL (VHSIC Hardware Description Language) был разработан в рамках программы VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits) министерства обороны Соединенных Штатов.

В 1987 VHDL приобрел статус стандарта IEEE (IEEE Std. 1076 - 1987). В 1993 после ревизии начальной версии стал VHDL’93, и далее на его основе VHDL’98, VHDL’2000, VHDL’2002, VHDL’2006, VHDL’2008, а подмножество VHDL AMS (Analog Mixed Signal) позволяет описывать как чисто аналоговые, так и смешанные, цифро-аналоговые схемы.

При разработке VHDL использовался язык программирования ADA, как отправная точка, т.к. оба языка разрабатывались для министерства обороны. В свою очередь ADA базируется на PASCAL, поэтому VHDL является синтаксическим сленгом PASCAL. Однако синтаксис VHDL более сложный.

1.10.2.1. Программирование на vhdl для моделирования и синтеза [19]

Программа на VHDL используется как модель, отражающая некоторое устройство. Система моделирования исполняет программу на VHDL, имитируя работу реального устройства. Поведение устройства представляется в модели через события изменения сигналов и формируемые временные диаграммы сигналов. Наблюдая это поведение, разработчик анализирует свой проект, делает выводы о его правильности. Здесь программа на VHDL рассматривается как модель – VHDL программа-модель.

Синтез является обратным процессом. При синтезе программа на VHDL рассматривается как спецификация, детальное описание, исходные данные и требования, по которым должна быть сгенерирована реализация физического устройства на СБИС. Синтезирующие компиляторы САПР по программе на VHDL генерируют реализацию проектируемого устройства. Здесь программа на VHDL выступает как программа-спецификация для синтеза.

Не всякая программа-модель может быть использования как программа-спецификация для синтеза. Не для всякой программы на VHDL ее поведение при моделировании будет соответствовать поведению устройства, синтезированного по этой же программе. Поэтому говорят о синтезируемом подмножестве языка VHDL. Имеется в виду та часть конструкций и понятий VHDL, которые могут использоваться в программе-спецификации для синтеза, исключая запрещенные для синтеза конструкции. Однако такого стандартизованного подмножества не существует.

Компиляция устройства по VHDL программе-спецификации может использовать разные наборы элементов (элементный базис). Базис реализации может состоять из элементов разного уровня – от вентилей и логических блоков табличного типа (LUT) до макроячеек сложных функциональных блоков – мультиплексоров, регистровых блоков, блоков памяти, умножителей и процессорных ядер. После компиляции производится оптимизация схемы с целью увеличения быстродействия или сокращения аппаратных затрат, уменьшения размеров на кристалле. Оптимизация схемы приводит к ее трансформациям, иногда весьма существенно меняющей структуру, которая просматривается в исходном тексте. Результатом может быть расхождение в поведении модели устройства и поведении реализации устройства, синтезированной по той же программе на VHDL. Разработчик должен учитывать возможность таких трансформаций, когда пишет программу-спецификацию.

Те или иные программные конструкции VHDL синтезирующий компилятор может принимать или игнорировать, т.е. данная конструкция, ее секция или атрибут не будут влиять на результат синтеза схемы.