VHDL là gì?
VHDL là một ngôn ngữ mô tả phần cứng. Nó mô tả hoạt động của một mạch điện tử hoặc hệ thống, từ đó mạch vật lý hoặc hệ thống có thể được thực hiện.
VHDL là viết tắt của cụm từ Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language – ngôn ngữ mô tả phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ rất cao. VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng được phát triển dùng cho chương trình VHSIC (Very High Speed Intergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ. Mục tiêu của việc phát triển VHDL là có được một ngôn ngữ mô tả phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép phát triển thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn cũng như cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế.
Hai ứng dụng chính của VHDL là trong lĩnh vực PLD ( Programmable Logic Device – Thiết bị logic có thể lập trình (bao gồm CPLD – Complex Programmable Logic Device và FPGA – Field Programmable Gate Array) và trong lĩnh vực ASIC (Application Specific Integrated Circuit – Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng). Khi chương trình VHDL được viết, nó có thể được sử dụng để thực thi mạch trong một thiết bị có thể lập trình (của Altera, Xilinx, Atmel, v.v.) hoặc có thể được gửi đến xưởng để chế tạo chip ASIC. Hiện nay, nhiều chip thương mại phức tạp (ví dụ như vi điều khiển) được thiết kế theo cách tiếp cận như vậy.
Ưu điểm của VHDL
- Tính công cộng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE, VHDL không thuộc sở hữu của bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào. Do đó VHDL được hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống. Ðây là một ưu điểm nổi bật của VHDL, giúp VHDL trở nên ngày càng phổ biến.
- Khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phương pháp thiết kế: VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp như phương pháp thiết kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện có sẵn. Như vậy VHDL có thể phục vụ tốt cho nhiều mục đích thiết kế khác nhau, từ việc thiết kế các phần tử phổ biến đến việc thiết kế các IC ứng dụng đặc biệt (Application Specified IC).
- Ðộc lập với công nghệ: VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo phần cứng nào được sử dụng (dùng CMOS, nMOS, hay GaAs). Ðây cũng là một ưu điểm quan trọng của VHDL nó cho phép người thiết kế không cần quan tâm đến công nghệ phần cứng khi thiết kế hệ thống, như thế khi có một công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế.
- Khả năng mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số (hộp đen) cho đến mức cổng. VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức. Như thế ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả ở mức cao và các hệ con được mô tả chi tiết.
- Khả năng trao đổi kết quả: Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL có thể chạy trên mọi bộ mô phỏng đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL và các kết quả mô tả hệ thống có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác nhau nhưng cùng tuân theo chuẩn VHDL. Hơn nữa, một nhóm thiết kế có thể trao đổi mô tả mức cao của các hệ thống con trong một hệ thống; trong khi các hệ con đó được thiết kế độc lập.
- Khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế: VHDL được phát triển như một ngôn ngữ lập trình bậc cao, vì vậy nó có thể sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiều người. Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm và chia sẻ thiết kế. VHDL cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn.
Quy trình thiết kế mạch bằng VHDL
Như đề cập ở trên, một trong số lớn các ứng dụng của VHDL là chế tạo các mạch hoặc hệ thống trong thiết bị có thể lập trình được (PLD hoặc FPGA) hoặc trong ASIC. Việc chế tao ra vi mạch sẽ được chia thành 3 giai đoạn như sau:
- Giai đoạn 1:
Chúng ta bắt đầu thiết kế bằng viết mã (code) VHDL. Các công ty sản xuất khác nhau như XILINX, Altera, v.v. cung cấp các công cụ phát triển phần mềm của riêng họ như XILINX ISE, Altera Quartus, v.v. để chỉnh sửa, biên dịch và mô phỏng mã VHDL. Mã VHDL này sẽ được lưu vào file có đuôi là .vhd và có tên cùng với tên thực thể. Mã VHDL sẽ được mô tả ở cấp chuyển đổi thanh ghi (RTL – Resister Transfer Level).
- Giai đoạn 2: Giai đoạn chế tạo
Bước đầu tiên trong quá trình chế tạo là biên dich. Quá trình biên dịch sẽ chuyển mã VHDL vào một netlist ở cấp cổng.
Bước thứ 2 của quá trình chế tạo là tối ưu. Quá trình tối ưu được thực hiện trên netlist ở cấp cổng để có tốc độ tốt hơn và chiếm ít không gian hơn. Trong giai đoạn này, thiết kế có thể được mô phỏng để kiểm tra phát hiện những lỗi xảy ra trong quá trình chế tạo.
Giai đoạn 3:
Là giai đoạn ghép nối đóng gói phần mềm. Ở giai đoạn này sẽ tạo ra sự sắp xếp vật lý cho chip PLD/FPGA hoặc tạo ra mặt nạ cho ASIC. Một lần nữa thiết bị cuối cùng có thể được mô phỏng và xác minh
Cấu trúc chương trình VHDL
Tất cả các chương trình VHDL bao gồm ít nhất ba thành phần cơ bản sau đây:
- Khai báo thư viện (LIBRARY): Chứa danh sách tất cả các thư viện sẽ được sử dụng trong thiết kế. Ví dụ: ieee, std, work, v.v.
- ENTITY (thực thể): Entity dùng để khai báo tên của thực thể, các port của thực thể và các thông tin liên quan đến
thực thể. - ARCHITECTURE (kiến trúc): Kiến trúc mô tả chức năng cơ bản của thực thể và chứa nhiều phát biểu mô tả hành vi của thực thể. Kiến trúc luôn luôn có liên quan đến thực thể và các mô tả hành vi của thực thể.
Cấu trúc của chương trình VHDL như sau:
LIBRARY library_name;
USE library_name.package_name.package_parts;
ENTITY entity_name IS
PORT (
port_name : signal_mode signal_type;
port_name : signal_mode signal_type;
…);
END entity_name;
ARCHITECTURE architecture_name OF entity_name IS
[declarations]
BEGIN
(code)
END architecture_name;
Khai báo thư viện
Thư viện chứa tất cả các đoạn code thường xuyên được sử dụng. Nó sẽ cho phép chúng ta sử dụng lại nhiều lần. Ngoài ra, thư viện có thể được chia sẻ với các thiết kế khác.
Để khai báo thư viện (nghĩa là làm cho nó hiển thị trong thiết kế) cần phải có hai dòng lệnh, dòng thứ nhất bắt đầu bằng từ khóa LIBRARY tên thư viện (chú ý là VHDL không phân biệt chữ hoa chữ thường). Sau đó trên từng dòng kế tiếp sẽ khai báo các gói thư viện con mà thiết kế sẽ sử dụng, mỗi dòng phải kết thúc bằng dấu “;”.
| LIBRARY library_name; USE library_name.package_name.package_parts; |
Có ba thư viện thường được sử dụng trong tất cả các chương trình VHDL.
- ieee.std_logic_116
- standard
- work
Tuy nhiên, khi viết chương trình, chúng ta chỉ cần khai báo thư viện ieee vì hai thư viện còn lại là thư viện mặc định.
Mục đích của 3 gói/thư viện được kể ở trên là như sau: gói std_logic_1164 của thư viện ieee cho biết một hệ logic đa mức; std là một thư viện tài nguyên (kiểu dữ kiệu, i/o text..) cho môi trường thiết kế VHDL và thư viện work được sử dụng khi chúng ta lưu thiết kế ( file .vhd, các file được tạo bởi chương trình dịch và chương trình mô phỏng…).
Bây giờ để thêm các gói thư viện và một phần của nó, từ khóa USE được sử dụng với tên thư viện, các gói thư viện và các phần gói. Ví dụ trong thư viện IEEE, gói là std_logic_1164 và để thêm tất cả các phần của nó, chúng ta có thể viết
LIBRARY ieee
USE ieee.std_logic_1164.all
ENTITY (thực thể)
Sau khai báo thư viện là Entity. Đây là thành phần chính của một cấu trúc chương trình VHDL.
Một khai báo Entity được dùng để mô tả giao tiếp I/O của mạch thiết kế. Phần thân của kiến trúc bao gồm mô tả sự thực hiện bên trong của thực thể đó, mô tả liên kết giữa các entity, xử lý và thành phần, các hàm, toán hạng…. Trong một thiết kế sẽ có rất nhiều entity liên kết với nhau để thực hiện chức năng mong muốn.
Khai báo Entity bao gồm các danh sách thông số của tất cả các đầu vào và đầu ra các PORT (cổng) của mạch. Cú pháp của nó được hiển thị dưới đây.
| ENTITY entity_name IS PORT ( port_name : signal_mode signal_type; port_name : signal_mode signal_type; …); END entity_name; |
Khai báo thực thể bắt đầu bằng từ khóa ENTITY sau đó là tên của thực thể và cuối cùng là từ khóa IS. Người viết chương trình phải đặt tên cho thực thể thường liên quan đến một mạch đang được thiết kế như ‘mux,’ ‘decoder,’ ‘adder,’ ‘counter’, v.v. (quy tắc chung cho bất kỳ chương trình VHDL nào là tên file chương trình phải giống với tên thực thể).
Bên trong thực thể, các chân đầu vào – đầu ra của mạch được khai báo bằng từ khóa PORT.
PORT (nghĩa là các chân giao tiếp) được khai báo với port_name, signal_mode và signal_type.
port_name – là tên của chân đầu vào – đầu ra do người viết chương trình tự đặt.
signal_mode – có bốn loại chế độ IN, OUT, INOUT và BUFFER.
+ IN: Chỉ có thể được đọc, nó chỉ được dùng cho các tín hiệu đầu vào (chỉ được phép nằm bên phải phép gán).
+ OUT: Chỉ được dùng để gán giá trị, nó chỉ được dùng cho các cổng đầu ra (nó chỉ được nằm bên trái của phép gán).
+ INOUT: Có thể được dùng để đọc và gán giá trị. Nó có thể có nhiều hơn một hướng điều khiển (có thể nằm ở bên trái hoặc bên phải phép gán).
+ BUFFER: Có thể được dùng để đọc và gán giá trị (có thể nằm ở bên trái hoặc bên phải phép gán). Inout là một cổng hai hướng, còn Buffer là một cổng không có hướng.
signal_type – chỉ ra kiểu tín hiệu của một cổng, có thể là BIT, STD_LOGIC, INTEGER, …
entity_name (tên của thực thể) có thể lấy một tên bất kỳ, ngọai trừ các tù khóa của VHDL.
Sau khi khai báo tất cả các chân giao tiếp, khai báo thực thể kết thúc bằng từ khóa END theo sau là tên thực thể.
Ví dụ: Cổng NAND 2 ngõ vào, khai báo ENTITY như sau:
ENTITY nand_gate IS
PORT (a, b : IN BIT;
x : OUT BIT);
END nand_gate;
ARCHITECTURE (Kiến trúc)
ARCHITECTURE là một mô tả về cách thức mạch hoạt động (chức năng). Một thực thể hoặc mạch có thể được hoạt động theo nhiều kiểu khác nhau, chẳng hạn như hành vi, cấu trúc hoặc một sự tổ hợp 2 cách trên. Một kiến trúc bao gồm các phần: Khai báo các các tín hiệu, hằng, khai báo các kiểu, các phần tử, tiếp theo là các phát biểu (lệnh) tuần tự hoặc đồng thời. Cú pháp cơ bản của architecture như sau:
| ARCHITECTURE architecture_name OF entity_name IS [declarations] BEGIN (code) END architecture_name; |
Architecture cung cấp thông tin chi tiết nội bộ của một thực thể có nghĩa là cách đầu vào – đầu ra được kết nối với nhau. Nó mô tả hành vi của mạch có nghĩa là cách mạch tạo ra đầu ra cần thiết từ các đầu vào nhất định.
Khai báo kiến trúc bắt đầu bằng từ khóa ARCHITECTURE theo sau là architecture_name và entity_name.
Từ khóa BEGIN cho biết phần bắt đầu của phần thân kiến trúc. Phần thân bao gồm các câu lệnh tuần tự hoặc đồng thời mô tả chức năng mạch.
Phần thân kiến trúc kết thúc bằng từ khóa END theo sau là architecture_name.
Ví dụ: Đây là kiến trúc của cổng NAND 2 đầu vào có .
ARCHITECTURE myarch OF nand_gate IS
BEGIN
x <= a NAND b;
END myarch;
Có ba kiểu mô hình khác nhau cho phần thân kiến trúc:
- Kiểu hoạt động của các luồng dữ liệu (Dataflow) – theo kiểu mô hình này, mạch được mô tả bằng cách sử dụng các câu lệnh đồng thời.
- Kiểu hành vi hoạt động (Behavioral) – trong kiểu mô hình này, mạch được mô tả bằng cách sử dụng các câu lệnh tuần tự.
- Kiểu cấu trúc (Structure) – theo kiểu mô hình này, mạch được mô tả bằng cách sử dụng các thành phần được kết nối với nhau.
Kiến trúc theo kiểu hoạt động của các luồng dữ liệu (Dataflow)
Một kiến trúc kiểu luồng dữ liệu chỉ ra một hệ thống dưới dạng mô tả đồng thời của các luồng điều khiển và dịch chuyển của dữ liệu. Nó sử dụng theo mẫu thông tin hoặc mẫu hoạt động của luồng dữ liệu đó, hoặc mẫu thời gian của các chức năng logic tổ hợp. Chẳng hạn như các bộ cộng, bộ so sánh, bộ giải mã, và các cổng logic.
Ví dụ:
architecture DATAFLOW of FULL_ADDER is
signal S : BIT;
begin
S <= A xor B ;
SUM <= S xor CIN after 10 ns;
COUT <= (A and B ) or (S and CIN) after 5ns;
end DATAFLOW;
Kiến trúc theo kiểu hành vi hoạt động (Behavioral)
Một kiến trúc kiểu hành vi hoạt động chỉ ra các hoạt động mà một hệ thống riêng biệt nào đó phải thực hiện trong một chương trình, nó giống như việc diễn tả các quá trình hoạt động, nhưng không cung cấp chi tiết mà thiết kế được thực thi như thế nào. Thành phần chủ yếu của việc diễn tả theo kiểu hành vi trong VHDL là process. Dưới đây là ví dụ chỉ ra kiểu diễn tả theo kiểu hành vi của một bộ cộng với tên là FULL_ADDER.
architecture BEHAVIOUR of FULL_ADDER is
begin
process (A,B,CIN)
begin
if ( A =’0′ and B =’0′ and CIN=’0′ ) then
SUM <= ‘0’;
COUT <= ‘0’ ;
elsif
(A=’0′ and B=’0′ and CIN=’1′) or
(A=’0′ and B=’1′ and CIN=’0′) or
(A=’1′ and B=’0′ and CIN=’0′) then
SUM <= ‘1’;
COUT <= ‘0’ ;
elsif
(A=’0′ and B=’1′ and CIN=’1′) or
(A=’1′ and B=’0′ and CIN=’1′) or
(A=’1′ and B=’1′ and CIN=’0′) then
SUM <= ‘0’;
COUT <= ‘1’;
elsif (A=’1′ and B=’1′ and CIN=’1′) then
SUM <=’1′;
COUT <=’1′;
end if;
end process;
end BEHAVIOURAL;
Kiến trúc theo kiểu cấu trúc (Structure)
Một kiến trúc kiểu cấu trúc chỉ ra sự thực thi cấu trúc theo dạng sử dụng các khai báo phần tử và các thể hiện của phần tử đó. Ví dụ dưới đây chỉ ra sự diễn tả cấu trúc của một bộ cộng FULL_ADDER như trên đã giới thiệu.
Hai kiểu phần tử được sử dụng trong ví dụ này là HALF_ADDER và OR_GATE.
architecture STRUCTURE of FULL_ADDER is
component HALF_ADDER
port (L1, L2 : in BIT;
CARRY, SUM : out BIT);
end component;
component OR_GATE
port (L1, L2 : in BIT;
O: out BIT);
end component;
begin
HA1: HALF_ADDER port map (A,B,N1,N2);
HA2: HALF_ADDER port map (N2,CIN,N3,SUM);
OR1 : OR_GATE port map (N1, N3,COUT);
end STRUCTURE;
