في إتش دي إل

معلومات عامة
التصنيف	لغة توصيف العتاد — لغة نمذجة
ظهرت في	1983
الإصدار الأول	1983
الإصدار الأخير	IEEE 1076-2019 ;
متأثرة بـ	أيدا
امتدادات الملفات	.vhdl
موقع الويب	vhdl.org (الإنجليزية)

في إتش دي أل أو لغة توصيف العتاد للدارات المتكاملة ذات السرعات المرتفعة جداً (بالإنجليزية: Very High Speed Integreted Circuit Hardware Description Language اختصاراً VHDL)‏ هي لغة برمجة قياسية صممت من قبل وزارة دفاع الولايات المتحدة حيث تستعمل في وصف، وتصميم، ومحاكاة دارات الدوائر الإلكترونية عالية السرعة. أصبحت منذ عام 1987 إحدى مقايس جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات وتمت مراجعتها في عام 1997.^[2]^[3]^[4]

تتيح هذه اللغة توصيف التوازي والترابط بالإضافة للتعبير المفصل والمباشر للزمن وتسمح أيضا بتوصيف الدارات التماثلية لكنها غالبا ما تستخدم في تصميم دارات مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة.

VHDL مقتبسة من لغة Ada في المفهوم العام كالرموز والمصفوفات أحادية البعد وتركيب العبارات وبناءها وهي غير حساسة لحالة الأحرف وهناك الكثير من الميزات غير موجودة في لغة Ada كمجموعة من التعليمات البوليانية التي تتضمن NAND,NOR مثلا وتمثيل العمليات الشائعة في البنية التعاودية مباشرة. وتسمح VHDL بإدخال المصفوفات في اتجاهين تصاعدي وتنازلي لأن كلا الا صطلاحين يستخدم في الـ HardWare ،والنسخة المعدلة الأولى من الـ VHDL تتضمن مجال واسع من أنواع البيانات كالنوع العددي(الصحيح والحقيقي)والمنطقي(البولياني والبتي)والنوع الحرفي والوقت ومصفوفة من النوع البتي التي تسمى الشعاع البتي والمصفوفة من نوع المحارف التي تسمى الشعاع السلسلة.

لغة VHDL هي لغة متعددة وعامة تماماً وعلى الرغم من أنها تتطلب برنامج محاكاة لتشغيل كود البرنامج فإنه يمكنها أن تقرأ وتكتب ملفات على كمبيوتر مضيف، إن VHDL تسمح بتوصيف النظام المتزامن (الأجزاء المقدمة بواسطة سلوك عملها مع بعضها البعض بنفس الوقت)وهي غير محببة كثيراً من لغات أخرى كلغة الـ Basic، pascal، c أو لغات التجميع التي تسمع على مستوى شيفرة الآلة بشكل متعاقب تعليمة واحدة كل مرة لكل بنيان. وعندما يترجم نموذج VHDL إلى بوابات وأسلاك التي تكون منظمة على جهاز منطقي قابل للبرمجة مثل مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة أو CPLD والعتاد الفعلي يحدد من شيفرة VHDL المنفذة كما في بعض أشكال شريحة المعالج.

البداية

في لغة VHDL كما في أي لغة برمجة عتادية أو برمجية كي تكون خبيراً فإن ذلك يتطلب دراسة وتمرين، وإذا كان المستخدم يرغب بتعلم تشفيرRTL كتصميم دارات عتادية عن طريق VHDL فإن حزم التصميم والتركيب الموجودة كافية للتعلم.إن معرض البوابات التخطيطية يظهر للمستخدم تصاميم مركبة كالمخططات القابلة للانقياد، والكثير من حزم التصميم FPGA تقدم طرق إدخال تصاميم بديلة مثل النسخ المؤقت لمخطط الحالة والرسوم التخطيطية.وهذه الحزم تزودنا بقالب بدء مفيد لتشفير الأنواع الأساسية من التعليمات التكرارية والدروس التي يتضمنها مفيدة ومساعدة. تقريباً جميع نسخ المحاكاة وتصميم FPGA تدعم كلا Verilog وVHDL تسمح للمستخدم بتعلم كلا اللغتين. بالإضافة إلى أن معظم التصاميم المستوردة نماذج من المكتبات وبعض التصاميم التي تتضمن عدة Architecture.

البنية الأساسية

entity (كيان)، يحدد واجهة الترابط (المداخل والمخارج) فقط من دون تحديد الوظيفة. وتتضمن
- تحديد اسم معين للكيان المراد صنعه
- تحديد أسماء المنافذ ports names
- تحديد احجام المنافذ من حيث عدد البتات في كل منفذ
- تحديد اتجاه المنفذ (كونه مدخل input أو مخرج output)
- تحديد نوع المنفذ (يحمل قيمة صفر وواحد فقط أو يحمل قيم أخرى مثل high impedance)
architecture (البنيان)، يحدد وظيفة الكيان ويتالف من قسمين
- تصريحي (declarative) يظهر اولا في جملة المعمارية وقبل جملة begin يتم فيها التعريف عن المتغيرات الداخلية
- إيعازي (command)يتم فيها شرح كيفية ترابط المنافذ الداخلة لتكوين المنافذ الخارجة

طرق توصيف البنيان

توصيف بنيوي structure
- التوصيف على مستويات عليا
- يستخدم بشكل أساسي لدى المحاكاة
توصيف سلوكي behavior
- مناسب لعمليات التركيب synthesis
- المصمم يتحكم ببنية تصميمه.

أمثلة

بوابة AND

شرح بسيط للبوابات المنطقية تقنية رقمية

تبدو كالتالي في الـ VHDL:

-- (this is a VHDL comment)

-- import std_logic from the IEEE library
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

-- this is the entity
entity ANDGATE is
   port (
         IN1 : in std_logic;
         IN2 : in std_logic;
         OUT1: out std_logic);
end ANDGATE;
architecture RTL of ANDGATE is

begin

  OUT1 <= IN1 and IN2;

end RTL;

بينما الأمثلة في الأسفل تبدو مملة لمبتدئي VHDL فأجزاء كثيرة يمكن أن تبدو لنا اختيارية أو يمكن أن تكتب مرة واحدة فقط، بالإضافة إلى استخدام عناصر std_logic الذي يمكن استبداله بالنوع Bit ونتجنب استيراد المكتبة في البداية، لكن استخدام 9 valued logic(U,X,0,1,Z,W,L) بدلاً من (0,1) يقدم محاكاة قوية جداً وأدوات تصحيح أخطاء غير موجودة في لغات HDL الأخرى. في الأمثلة التالية سنرى كيف أن كود VHDL يكتب بشكل مدمج لكن المصممين عادة يتجنبون النماذج المدمجة ويستخدمون أسلوب تشفير ممل أكثر من أجل أن يكون قابل للقراءة والفائدة الأخرى لاستخدام هذا الأسلوب في التشفير هي برمجة الأدوات القابلة للبرمجة مثلCPLD.

الناخب

entity mux1b4X1 is
    port(in1,in2,in3,in4,c1,c2:in Bit;out1:out Bit);
end mux1b4X1;

architecture struk_mux1b4X1 of mux1b4X1 is
    signal c1_n,c2_n,intk11,intk12,intk13,intk14:Bit;
    
    component o_not 
       port(in1:in Bit ;out1:out Bit);
    end component ;
    
    component o_3and is
       port(in1,in2,in3:in Bit; out1:out Bit);
    end component ;
    
    component o_4or is
       port(in1,in2,in3,in4:in Bit; out1:out Bit);
    end component ;    
    
begin
    KNc1:o_not
    port map(in1=>c1,out1=>c1_n);
    
    KNc2:o_not
    port map(in1=>c2,out1=>c2_n);
    
    Kand11:o_3and
    port map(in1=>in1,in2=>c1_n,in3=>c2_n,out1=>intk11);
    
    Kand12:o_3and
    port map(in1=>in2,in2=>c1,in3=>c2_n,out1=>intk12);
    
    Kand13:o_3and
    port map(in1=>in3,in2=>c1_n,in3=>c2,out1=>intk13);
    
    Kand14:o_3and
    port map(in1=>in4,in2=>c1,in3=>c2,out1=>intk14);
    
    Kor:o_4or
    port map(in1=>intk11,in2=>intk12,in3=>intk13,in4=>intk14,out1=>out1);
    
end struk_mux1b4X1;

بنية مضمم 4×1

الصورة في الأعلى تبين بنية مضمم 4×1 وبالمقبال نشاهد الشيفرة المصدرية التي يصف هذه البنية ويستخدم طريقة التوصيف البنيوي حيث نلحظ في القسم التصريحي تعداد الأجزاء التي يتكون منها المضمم (Multiplexer) وفي القسم الإيعازي كيفية ارتباط تلك الأجزاء ببعضها.

أما الشيفرة المصدرية التالية فهي تصف البنية السابقة نفسها عن طريق التوصيف السلوكي.

entity mux1b4X1 is
    port(in1,in2,in3,in4,c1,c2:in Bit;out1:out Bit);
end mux1b4X1;

architecture sprav_mux1b4X1 of mux1b4X1 is
begin
    process(in1,in2,in3,in4,c1,c2)
    begin
       if c1='0' and c2='0' then
         out1<=in1;
       elsif c1='1' and c2='0' then
         out1<=in2;
       elsif c1='0' and c2='1' then
         out1<=in3;
       elsif c1='1' and c2='1' then
         out1<=in4;
       end if;
    end process;
end sprav_mux1b4X1;

المغلاق

-- latch template 1:
Q <= D when Enable = '1' else Q;

-- latch template 2:
process(D,Enable)
begin
  if Enable = '1' then
    Q <= D;
  end if;
end process;

والمغلاق SR يستخدم إشارات التوضع والتصفير :

-- SR-latch template 1:
Q <= '1' when S = '1' else
  '0' when R = '1' else Q;

-- SR-latch template 2:
process(S,R)
begin
  if S = '1' then
    Q <= '1';
  elsif R = '1' then
    Q <= '0';
  end if;
end process;

والقالب المنطقي 2 يملك ضمنياً (else Q <= Q;) التي نستطيع اضافتها بصراحة إذا أردنا.

-- This one is a RS-latch (i.e. reset dominates)
process(S,R)
begin
  if R = '1' then
    Q <= '0';
  elsif S = '1' then
    Q <= '1';
  end if;
end process;

قلاب المعطيات D-type flip-flops

وهو أساس من اجل كل المنطق المتواقت

-- simplest DFF template (not recommended)
Q <= D when rising_edge(CLK);

-- recommended DFF template:
process(CLK)
begin
  -- use falling_edge(CLK) to sample at the falling edge instead
  if rising_edge(CLK) then
    Q <= D;
  end if;
end process;
  
-- alternative DFF template:
process
begin
  wait until rising_edge(CLK);
  Q <= D;  
end process;

وبعض القلابات أيضاً تملك إشارات تمكين... وإشارات توضع وتصفير غير متزامنة.

-- template for asynchronous reset with clock enable:
process(CLK, RESET)
begin
  if RESET = '1' then   -- or '0' if RESET is active low...
    Q <= '0';
  elsif rising_edge(CLK) then
    if Enable = '1' then  -- or '0' if Enable is active low...
      Q <= D;
    end if;
  end if;
end process;

-- template for synchronous reset with clock enable:
process(CLK)
begin
  if rising_edge(CLK) then
    if RESET = '1' then 
      Q <= '0';
    elsif Enable = '1' then  -- or '0' if Enable is active low...
      Q <= D;
    end if;
  end if;
end process;

وخطأ المبتدئين الشائع أننا نملك دخل وضع وإعادة الوضع ولكن لا نستخدمها.

والمثالين التاليين غير متساويين... الأول عبارة عن القلاب D.. والثاني عبارة عن القلاب D مع تغذية عكسية بالناخب.

-- simple D-type flip-flop
process(CLK)
begin
  if rising_edge(CLK) then  
    Q <= D;  
  end if;
end process;

-- BAD VHDL: this does NOT make the flip-flop a DFF without a reset!!
process(CLK, RESET)
begin
  if RESET = '1' then  
  	-- do nothing. Q is not set here...  
  elsif rising_edge(CLK) then  
    Q <= D;  
  end if;
end process;

العداد

المثال التالي عبارة عن عداد مع إعادة وضع غير متزامن... يوضح كيفية كتابة الرنامج في الــ vhdl (كما ذكرنا سابقاً).

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.numeric_std.all; -- for the unsigned type

entity counter_example is
generic (WIDTH : integer = 32);
port (
  CLK, RESET, LOAD : in std_logic;
  DATA : in unsigned(WIDTH-1 downto 0);  
  Q : out unsigned(WIDTH-1 downto 0));
end entity counter_example;

architecture counter_example_a of counter_example is
signal cnt : unsigned(WIDTH-1 downto 0);
begin
  Q <= cnt;

  process(RESET, CLK)
  begin
    if RESET = '1' then
      cnt <= (others => '0');
    elsif rising_edge(CLK) then
      if LOAD = '1' then
        cnt <= DATA;
      else
        cnt <= cnt + 1;
      end if;
    end if;
  end process;
end architecture counter_example_a;

سلسلة فيبوناسي

المثال التالي أكثر تعقيداً:

-- Fib.vhd
--
-- Fibonacci number sequence generator

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.numeric_std.all;

entity Fibonacci is
port (
    Reset       : in    std_logic;
    Clock       : in    std_logic;
    Number      : out   unsigned(31 downto 0)
);
end entity Fibonacci;

architecture Rcingham of Fibonacci is

    signal  Previous    : natural;
    signal  Current     : natural;
    signal  Next_Fib    : natural;

begin

    Adder:
    Next_Fib <= Current + Previous;

    Registers:
    process (Clock, Reset) is
    begin
        if Reset = '1' then
            Previous <= 1;
            Current  <= 1;
        elsif rising_edge(Clock) then
            Previous <= Current;
            Current  <= Next_Fib;
        end if;
    end process Registers;

    Number <= to_unsigned(Previous, 32);

end architecture Rcingham;

مراجع

^ ^ا ^ب وصلة مرجع: https://ieeexplore.ieee.org/document/8938196.
^ Department of Defense (1992). Military Standard, Standard general requirements for electronic equipment. مؤرشف من الأصل في 2019-12-11. اطلع عليه بتاريخ 2017-11-15.
^ 1076-2002 – IEEE Standard VHDL Language Reference Manual. 2002. DOI:10.1109/IEEESTD.2002.93614. ISBN:0-7381-3247-0.
^ 1076-1987 – IEEE Standard VHDL Language Reference Manual. 1988. DOI:10.1109/IEEESTD.1988.122645. ISBN:0-7381-4324-3.

وصلات خارجية

[a90a583885db4594bee286c12bca1c2264d0bc07-1] ا ^ب وصلة مرجع: https://ieeexplore.ieee.org/document/8938196.

[2] Department of Defense (1992). Military Standard, Standard general requirements for electronic equipment. مؤرشف من الأصل في 2019-12-11. اطلع عليه بتاريخ 2017-11-15.

[3] 1076-2002 – IEEE Standard VHDL Language Reference Manual. 2002. DOI:10.1109/IEEESTD.2002.93614. ISBN:0-7381-3247-0.

[4] 1076-1987 – IEEE Standard VHDL Language Reference Manual. 1988. DOI:10.1109/IEEESTD.1988.122645. ISBN:0-7381-4324-3.

[2]

[3]

[4]