Was ist VHDL? Praktischer Leitfaden zur Hardware-Beschreibungssprache

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) ist eine spezialisierte Computersprache zur Modellierung, zum Entwurf und zur Verifikation digitaler integrierter Schaltungen. Im Gegensatz zu universellen Programmiersprachen wie Java oder C++ dient VHDL nicht dem Erstellen von Softwareanwendungen, sondern beschreibt Struktur und Verhalten elektronischer Hardware.

VHDL ist ereignisgesteuert und unterstützt parallele Ausführung, was es ideal macht, die simultanen Operationen in einem Prozessor oder anderer digitaler Logik abzubilden. Deshalb kann VHDL verwendet werden, die Logik zu spezifizieren, die letztlich zu einer CPU, einem FPGA oder einem ASIC wird.

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Betrachten Sie die Abbildung oben. In einem CPU-Chip führen zahlreiche digitale Schaltkreise (Mitte) arithmetische, Steuer- und Datenbewegungsaufgaben aus. Diese Schaltkreise werden typischerweise als Schaltplan (rechts) dargestellt. Der erste Schritt bei der Erstellung eines integrierten Schaltkreises ist jedoch, das logische Schaltbild in einem Textformat zu definieren – hier kommt VHDL ins Spiel.

Synthese

Anstatt jedes Gatter manuell zu zeichnen, schreiben Ingenieure VHDL, um das gewünschte Verhalten eines Schaltkreises zu beschreiben. Ein Synthese-Tool wandelt diese Verhaltensbeschreibung dann in eine konkrete Netlist um – eine Gatter-Level-Darstellung des Schaltkreises. Dieser Prozess, Synthese genannt, überbrückt die Lücke zwischen abstraktem Design und physischer Implementierung.

Eine erfolgreiche Synthese liefert eine Netlist, die in einem Schaltplan-Editor inspiziert werden kann und eine visuelle Karte der Gatter und Verbindungen bietet.

Place and Route

Während die Netlist die logische Konnektivität definiert, legt sie nicht fest, wo Komponenten auf einem Siliziumchip oder FPGA-Gewebe platziert werden. Der Place-and-Route-Schritt (PAR) weist Netlist-Elemente physischen Ressourcen auf dem Zielgerät zu und routet die Verbindungen dazwischen. Dies ist im Wesentlichen ein großes Optimierungsrätsel, das das PAR-Tool automatisch löst.

Nach erfolgreichem PAR enthält die resultierende Netlist Platzierungs- und Routing-Daten, die auf das spezifische Gerät zugeschnitten sind. Für FPGAs kann diese Netlist in einen Konfigurations-Bitstream kompiliert werden. Für ASICs fließt die Netlist in weitere Fertigungsschritte ein.

Zusammenfassung

VHDL ist eine mächtige, spezialisierte Programmiersprache, die Ingenieuren ermöglicht, digitale Logik für integrierte Schaltungen zu beschreiben, zu analysieren und zu generieren. Durch die Beherrschung von VHDL können Sie alles entwerfen – von einfachen Logikgattern bis hin zu komplexen CPUs und Hochleistungs-FPGAs.

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