Языки описания цифровой аппаратуры

Введение.

Развитие вычислительной техники привило к разработке языков описания цифровой аппаратуры. На сегодняшний день одними из основных языков описания цифровой аппаратуры являются Verilog (Verilog-HDL) и VHDL.

< >Исторически сложилось так, что в первой половине восьмидесятых годов < >XX < >века по инициативе Министерства обороны США был разработан язык спецификации проектов (< >VHDL< >). Стандарт < >ANSI< >/< >IEEE< >STD < >1076–1987 на версию языка бал утвержден в 1987 году. В последующем стандарты языка менялись, к примеру: < >IEEE< >STD < >1076–1993, < >IEEE< >STD < >1076–1999, < >IEEE< >STD < >1076–2002, < >IEEE< >STD < >1076–2008.

< >В 1985 г. фирмой < >Gateway< >Design< >Automaton < >был разработан язык моделирования аппаратуры < >Verilog< >-< >HDL< >. Первый стандарт языка был утвержден в 1995 году (< >IEEE < >1364–1995) [1].

< >На сегодняшний день сложно представить описания цифровых схем без них.Вданной статье рассмотрена общая информация о языках описания цифровой аппаратуры < >Verilog < >(< >Verilog< >-< >HDL< >) и < >VHDL< >, их достоинства и недостатки.

< >Язык < >VHDL< >.

< >Структура проекта в < >VHDL< >.

< >Основной структурной единицей < >VHDL < >является < >ENTITY< >. Декларация < >ENTITY < >определяет имя проекта и, необязательно, его интерфейс, т. е. порты и параметры настройки. Пакет — это набор объявлений вводимых пользователем типов, переменных, констант, подпрограмм и т. п. Архитектурные тела представляют содержательное описание проекта [2, c.395]. В VHDL представление сигналов реализовано в библиотеке std_logic_1164. Архитектурное тело представляет описание функций и процедур.

Типы данных.

Как и практически во всех языках программирования в VHDL используются типы данных. VHDL является строго типизированным языком. Любой единице информации в VHDL присваивается имя и определяется тип.

Типы данных:

1.                  integer — целый;

2.                  real — действительный;

3.                  bit — представляет один логический бит (значение ‘0’ либо ‘1’);

4.                  boolean — объекты этого типа принимают значения true либо false;

5.                  character — объединяет все символы;

6.                  time — используется для задания задержек;

7.                  severity_level — служит для управления работой компилятора;

8.                  file_open_statusи file_open_kind — обеспечивают возможность контроля процедур между программой и файловой системой компьютера;

9.                  stringи bit_vector — массив символов и битов соответственно.

< >Объекты < >VHDL< >.

Объекты выполняют роль хранения различных значений. Идентификаторы обязательно должны начинаться с буквы. Объекты должны быть объявлены перед использованием, за исключением переменной цикла в операторе for, которая объявляется по умолчанию.

Классы объектов:

-        Constant — константы.

-        Variable — переменные.

-        Signal — сигналы, представляют значения, передаваемые по проводам.

Синтаксис объявления объектов:

Constant {name [, name]}: Type [(index_range [, index_range])]:= initial_value;

Variable {name [, name]}: Type [(index_range [, index_range])] [:= initial_value];

Signal {name [, name]}: Type [(index_range)];

< >Операторы < >VHDL< >.

Операторы в VHDL делятся на два типа:

-       Последовательные.

-       Параллельные.

< >Последовательные операторы включены в операторы процессов. В одной строке можно размещать несколько операторов. Все операторы в < >VHDL < >оканчиваются точкой с запятой.

< >Последовательные операторы включают в себя:

< >-                   < >Оператор присваивания — выполняет присваивание переменной или сигналу результата выражения.

< >\результат\:=\выражение\ — присваивания переменной.

< >\результат\<=\выражение\ — присваивание сигнала [3, < >c< >.52].

< >-                   < >Оператор ожидания события < >wait< >.

< >Синтаксис< >оператора< >:

< >\< >wait < >\::=< >wait [on\< >name signal< >\ {\< >name signal< >\}]

< >-                   < >Оператор < >if< > — оператор цепочки последовательных событий;

< >\< >if < >\::=< >if < >\< >условие < >\ < >then

< >{\< >последовательный оператор< >\}

< >end if

< >-                   < >Оператор < >case< > — < >оператор разрешения выполнения последовательных операторов.

< >\< >case < >\::=< >case < >\ < >повторное выражение < >\ < >is

< >when < >\< >альтернативы< >\ =>{\< >последовательный оператор< >\}

< >{< >when < >\< >альтернативы< >\ =>{\< >последовательный оператор< >\}}

< >end< >case

< >-                   < >Пустой оператор < >null< > — < >не выполняет никаких действий.

< >-                   < >Оператор повторения — выполняет повторение последовательных операторов.

< >\оператор повторения \::=

< >[<< >метка оператора повторения< >>:] [<< >итерационная схема< >>:] < >loop

< ><оператор> < >«< ><оператор >< >»

< >end< >loop < >[<< >метка оператора повторения< >>] [< >2< >];

< >Параллельные операторы.

< >Параллельные операторы выполняются при любом изменении сигнала. К параллельным операторам относятся [2]:

< >-                   < >Оператор параллельного присваивания< >;

< >-                   < >Параллельный вызов процедуры< >;

< >-                   < >Оператор процесса< >;

< >-                   < >Оператор блока< >;

< >-                   < >Оператор вхождения компонента< >;

< >-                   < >Оператор генерации< >;

< >-                   < >Параллельный оператор проверки< >;

Язык Verilog-HDL(Verilog).

Структура проекта.

Основной единицей языка является модуль. Элементами модуля являются декларации и операторы. Структура проекта выглядит следующим образом:

module<имя модуля> (<порт>< >«, < ><порт >< >»);

< >«<< >декларация< >> | << >параллельный оператор< >>»

endmodule

Типы данных.

По сравнению с VHDL,в Verilog используется меньшее количество типов данных. Данные в Verilog могут принимать одно из четырех состояний:

-                   1 — представляет логическую 1 или значение «истинно» (true)

-                   0 — представляет логический 0 или значение «ложно» (false)

-                   z — представляет состояние высокого импеданса

-                   x — представляет неизвестное логическое состояние

Verilog включает две группы типов данных:

-                   Регистры (reg);

-                   Цепи (wire);

Регистры предназначены для сохранения состояний. Цепи осуществляют передачу состояний между моделируемыми объектами.

Типы цепей:

-                   Wire, tri — соединение элементов

-                   Wand/triand, wor/trior — моделирование цепей с разрешающей логикой

-                   Trireg — сохраняет свое состояние(емкость).

-                   Tri1, tri0, supply1,supply0. Цепи Tri1, tri0 — моделирование цепи с резистивной подтяжкой, а supply1,supply0 — моделируют источники питания подключенные к этой цепи.

Операторы Verilog.

Операторы в Verilog, как и в VHDL, делятся на два вида: последовательные и параллельные.

Оператор initialзапускается единожды при начале моделирования и задает начальное состояние устройства. Синтаксис данного оператора выглядит следующим образом:

< операция инициализации >::= initial< оператор >

Оператор always — оператор повторения. Запускается в начале программы так же как и initial,но повторяется каждый раз после завершения вложенного оператора. Синтаксис оператора имеет вид:

< операция постоянного повторения>::= always< оператор >

Операторы принятия решений — выбор одного из путей выполнения алгоритма. К операторам принятия решений относятся:

-                   Оператор условия

< оператор условия >:::=

if(<выражение>)<оператор>

-                   Оператор варианта

<оператор варианта>::=

<определитель оператора варианта>(<ключевое выражение>)

< >«<вариант>< >«, < >< вариант >»:<< >оператор>»

< >Endcase

Заключение.

В отличии от языка VHDL, Verilog более прост с точки зрения освоения. Он схож с языком Си, а это огромный плюс.ВVerilog используется меньшее количество типов данных, меньшее количество служебных слов. VHDL обладает большой универсальностью, но из-за этого он проигрывает в эффективности языку Verilog. Следовательно, человеку, который только начинает свое знакомство с языками описания цифровой аппаратуры будет легче освоить язык Verilog.

Оба языка поддерживаются в качестве стандартов большим количеством программных продуктов. Языки Verilog и VHDL используются при проектировании цифровых устройств, с применением САПР ведущих фирм в области ПЛИС. < >На сегодняшний день сложно представить описания цифровых схем без них.

Литература:

< >1.                  Поляков А. К. Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой аппаратуры. — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. –320с.: ил. — (Серия < >«Системы < >проектирования»).

2.                  Грушвицкий Р. И., Мурсаев А. Х., Угрюмов Е. П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. — 2-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 736 с.: ил.

3.                  Сергеенко А. М. VHDL для проектирования вычислительных устройств — К ЧП < >«Корнейчук< >»< >, ООО «ТИД«ДС», 2003–208 с.