VHSIC Hardware Description Language

Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (auch VHSIC Hardware Description Language), kurz VHDL, ist eine Hardwarebeschreibungssprache, vergleichbar mit einer Programmiersprache, mit der es einfach möglich ist, komplizierte digitale Systeme zu beschreiben. Darüber hinaus gibt es sprachliche Erweiterungen in Form von VHDL-AMS, mit welcher auch analoge Systeme beschrieben werden können.

Geschichte

VHDL wurde in den frühen 80er Jahren entwickelt und ist das Produkt von Normierungsbestrebungen eines Komitees, in dem die meisten größeren CAD-Anbieter und CAD-Nutzer, aber auch Vereinigungen wie die IEEE, vertreten waren. Der größte nordamerikanische Anwender, das US-Verteidigungsministerium (engl. Department of Defense), hat VHDL zum Durchbruch verholfen, indem es die Einhaltung der Syntax von VHDL als notwendige Voraussetzung für die Erteilung von Aufträgen gemacht hat. Es war das Ziel, Dokumentation zu vereinheitlichen und den Datenaustausch von komplexen digitalen Systemen zu ermöglichen. Die erste kommerzielle Version wurde 1985 veröffentlicht, sie entstand aus einer Zusammenarbeit von IBM, Texas Instruments und Intermetrics.

VHDL ist durch den IEEE 1076 Standard von 1993 genormt. Gegenüber dem ersten Standard von 1987 (IEEE 1076-1987) wurde die Syntax vereinheitlicht und ergänzt, aber auch einige Konstrukte der alten Syntax entfernt sowie sogar die Semantik einzelner Konstrukte verändert.

Eine Erweiterung der Beschreibung auf den analogen Bereich elektrischer Systeme wurde mit AHDL erzielt – derzeit gibt es Bestrebungen, eine allgemeine Sprache zur Beschreibung technischer Systeme zu schaffen – siehe VHDL-AMS (VHDL analog/mixed signal). Diese soll den Rahmen elektrischer Simulation verlassen und auch mechanische Elemente, Sensoren und Aktoren modellieren, um zu einer möglichst vollständigen Systemsimulation zu gelangen.

Aktuelle EDA-Tools unterstützen zurzeit die Version VHDL-2002. Noch ganz frisch ist die Version VHDL-2008 mit vielen Neuerungen. Die Toolunterstützung dieser Version wird je nach Hersteller noch eine Weile dauern. Abgesehen vom Standard selbst ist aber bereits ein ausführliches Buch über die Neuerungen von VHDL-2008 verfügbar. Dieses stammt, wie der bekannte "Designers Guide", von Peter J. Ashenden.

Funktionsweise

Bei VHDL arbeitet man nicht mit einzelnen elektronischen Bauteilen, sondern beschreibt das gewünschte Verhalten einer Schaltung auf einer höheren Abstraktionsebene. VHDL ermöglicht das schnelle Entwickeln großer und komplexer Schaltungen (z. B. Mikroprozessor mit über 20 Mio. Transistoren), die hohe Effizienz erfordern (zeitlich wie ökonomisch) und unterstützt den Entwickler bei allen Arbeiten.

So kann ein System simuliert, verifiziert und schließlich eine Netzliste erstellt werden.

Aus der Netzliste können Masken für die Herstellung von MPGAs (mask programmable gate array) oder ähnlichen LSI (Large scale integration)-Chips produziert werden oder sie kann (nach Konvertierung in einen geeigneten Bitstream) direkt in ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder CPLD (Complex Programmable Logic Device) geladen werden.

Neben VHDL existieren Verilog und ABEL, die weltweit meist genutzten Hardwarebeschreibungssprachen sind VHDL und Verilog.

VHDL hat sich zum "Quasi-Standard" in Europa entwickelt, Verilog ist dagegen die meist verwendete Sprache in den USA.

Synthesefähiger und funktionaler VHDL-Code

Es ist notwendig, zwischen synthesefähigem und funktionalem Code zu unterscheiden, weil es Konstrukte gibt, die sich zwar simulieren lassen, aber nicht in eine reale Hardware und damit in eine Netzliste übersetzt werden können. Was aus dem breiten Spektrum an funktionalem VHDL-Code tatsächlich synthesefähiger VHDL-Code ist, bestimmt primär das zur VHDL-Synthese gewählte Übersetzungsprogramm (Synthesetool). Funktionaler, nicht synthesefähiger Code wird vor allem im Bereich der Schaltungssimulation und zur Erstellung sogenannter Testbenches eingesetzt, teilweise auch um neue Verfahren wie beispielsweise das Verhalten von Schnittstellenprotokollen vorab zu prüfen.

Synthesefähigen VHDL-Code herzustellen ist im Regelfall aufwändiger und der Entwickler muss dabei auf große Teile der Sprachmöglichkeiten von VHDL bewusst verzichten und die Zielhardware und deren genauen Eigenschaften näher kennen. So ist beispielsweise VHDL-Code zur Ein- und Ausgabe über das Betriebssystem (textio) wie dem Schreiben und Lesen von Dateien oder auch die Ausgabe von Texten auf den Bildschirm nicht synthesefähig.

Beispiel: D-Flipflop (behavioural) nicht synthetisierbar

  ENTITY DFlipflop IS
    PORT(D,Clk: IN Bit;
         Q: OUT Bit);
  END DFlipflop;
  ARCHITECTURE Behav OF DFlipflop IS 
      CONSTANT T_Clk_Q: time := 4.23 ns;
  BEGIN 
      PROCESS
      BEGIN
         WAIT UNTIL Clk'EVENT AND Clk'Last_Value='0' AND Clk='1';
         Q<=D AFTER T_Clk_Q;
      END PROCESS;
  END Behav;

Beispiel: D-Flipflop (behavioural) synthetisierbar

  ENTITY DFlipflop IS
    PORT(D,Clk, nResetAsync: IN Bit;
         Q: OUT Bit);
  END DFlipflop;
  ARCHITECTURE Behav OF DFlipflop IS 
  BEGIN 
      PROCESS(Clk,nResetAsync)
      BEGIN
         IF nResetAsync = '0' THEN
            Q <= '0';
         ELSIF Clk'EVENT AND Clk = '1' THEN
            Q <= D;
         END IF;
      END PROCESS;
  END Behav;

Beispiel: andere Architektur (Herstellerlibrary)

   LIBRARY VendorLib;
   ARCHITECTURE Vendor OF DFlipflop IS
      COMPONENT Dff PORT(D, Clk: IN Bit; Qout: OUT Bit); END COMPONENT;
   BEGIN 
      Ff1: Dff PORT MAP (D => D , Clk => Clk, Qout => Q );
      FOR ALL : Dff USE ENTITY VendorLib.Component.Dff;
   END Vendor;

Simulation und Verifikation von VHDL-Code

Mittlerweile hat sich VHDL als Standard für die Simulationsmodelle von Intellectual Property (IP) durchgesetzt. In einem Simulationsmodell wird der eigentlich zu testende und synthesefähige VHDL-Code bzw. VHDL-Modul eingebettet und die Hardware darum in einem sogenannten 'Test-Bench' möglichst getreu nachgebildet. Das Simulationsmodell wird dabei meistens in nicht synthetisierbarem VHDL verfasst, was das Modellieren des Zeitverhaltens oder bestimmter physikalischer Parameter der externen Schaltungsteile erlaubt.

Ein Beispiel soll diesen Vorgang erläutern:

• Bei der Erstellung eines SDRAM-Controllers, einer Schaltung zum Ansteuern von SDRAM-Speichermodulen, wird das SDRAM mit seinem Speicher und sein zeitliches Verhalten im Simulationsmodell möglichst genau wie die reale SDRAM-Hardware nachgebildet. Damit kann der Controller in seiner logischen Funktion simuliert und auch das Verhalten in den zeitlichen Extrembedingungen verifiziert werden, ohne dass dafür reale Hardware notwendig wäre. Bei Bedarf wird der SDRAM-Controller funktionell entsprechend nachgebessert, um die Simulationsrandbedingungen zu erfüllen. Erst wenn diese Simulation erfolgreich war, wird der so erstellte SDRAM-Controller auf Hardware, beispielsweise in einem FPGA, in Kombination mit 'echten' SDRAM-Bausteinen in Betrieb genommen. Damit ist der Entwicklungsprozess von IP-Cores weitgehend unabhängig von konkreter Hardware.

Die Erstellung von guten Testbenches, die entsprechende Aussagen zulassen, ist dabei eine meist unterschätzte Aufgabenstellung, welche ca. 50 % der gesamten Entwicklungszeit für IP-Cores ausmacht. Sie ist aber, neben systematischem Vorgehen in der Entwicklung, wesentlich effizienter als frühzeitig mit meist nicht auf Anhieb funktionierenden Schaltungsteilen auf reale Hardware zu gehen - die dann nur schwer und umständlich in allen ihren Parametern verifiziert werden können.

Weiter unterscheidet man bei der Simulation unterschiedliche Simulationsarten:

• Eine reine Verhaltenssimulation (engl. behavioral simulation) des zu implementierenden IP-Core. Dabei werden die funktionellen Zusammenhänge in der Schaltung grundsätzlich geprüft. Beispielsweise ob logische Verknüpfungen einzelner Signale passen. Der Vorteil besteht im geringen Rechenaufwand, womit zeitlich längere Abschnitte simuliert werden können.

• Eine Simulation des fertig platzierten IP-Core (engl. post-fit simulation). Dabei wird der IP-Core zunächst synthetisiert, geroutet und platziert, dann werden aus der fertigen Schaltungsanordnung die Netzliste und die zugehörigen Laufzeitinformationen der Zielhardware ermittelt. Die Anwendung der Laufzeitparameter auf den VHDL-Code (engl. back annotation) wird entweder von entsprechenden Werkzeugen übernommen, die daraus nicht synthetisierbaren VHDL-Code erzeugen, oder sie geschieht unmittelbar im Simulationsprogramm. Der Vorteil besteht in dem genaueren Modell, um beispielsweise Zeitablaufprobleme in der Zielhardware bereits in der Simulation erkennen zu können. Nachteilig ist der damit verbundene hohe Rechenaufwand und die auch auf schnellen Rechnern sehr langen Simulationszeiten, die sich je nach Komplexität der Schaltung im Bereich von einigen Tagen bewegen können.

Weiter kann zwischen Testbenches mit eigener Fehlererkennung und Testbenches, welche nur den reinen Zeitverlauf darstellen, unterschieden werden. Im ersten Fall werden im Testbench die zu bestehenden Prüfungen aufgrund von fixen Entscheidungen ("Prüfvektoren") festgelegt und automatisch durch entsprechende Textausgaben festgestellt. Die Erstellung solcher Testbenches ist aufwendiger, aber bietet den Vorteil, bei späteren Änderungen leichter die Veränderungen der Implementierung vollständig und sicher prüfen zu können (engl. regression test). Im zweiten Fall wird die zu simulierende Schaltung in ihrem Zeitverhalten (engl. wave diagram) nur dargestellt, ohne dass eine automatische Bewertung der Ausgabe durchgeführt wird. Die Entscheidung, ob das Verhalten der Schaltung passt oder nicht, obliegt jener Person welche dieses Zeitverhalten manuell überprüfen muss. Der Vorteil dieser Methode ist die Einfachheit bei der Erstellung der Testbenches, weshalb sie vor allem bei einfachen Schaltungen angewendet wird. Der Nachteil ist, dass dabei Fehler in der Implementierung durch die manuelle Prüfung leicht übersehen werden können, vor allem bei komplexen Schaltungen.

Skelett eines VHDL- Bausteines

      ENTITY Bausteinname IS
      GENERIC (Parameterliste, optional);
              - dieses Statement erlaubt die Übergabe modellabhängiger
                Parameter (z. B.: Verzögerungszeiten) an einem Baustein;
      PORT (Schnittstellenliste, optional);
              - hier werden die Signalschnittstellen des Bausteins nach außen
                definiert; folgende Modi sind möglich IN, OUT, INOUT, BUFFER;
              - an dieser Stelle können diverse Deklarationen vorgenommen werden,
                die in verschiedenen Architekturrümpfen benutzt werden können,
                dies sind unter anderem Unterprogramme, Typendeklarationen,
                Konstantendeklarationen und Signaldeklarationen;
      BEGIN (Anweisungen, optional);
              - hier können Anweisungen stehen, die für alle Architekturrümpfe
                durchzuführen sind; dies verkürzt die Architekturbeschreibung,
                denn in Bausteindeklarationen aufgeführte Anweisungen müssen
                nicht mehr in den Architekturrümpfen stehen;
      END Bausteinname;
              - Ende der Bausteindeklaration

Architekturrumpf:

      ARCHITECTURE Rumpfname OF Bausteinname IS
         - an dieser Stelle können optional diverse Deklarationen für
           Typen, Konstanten und Signale vorgenommen werden,
           im Gegensatz zu den Bausteindeklarationen sind diese hier
           nur für den vorliegenden Architekturrumpf gültig;
      BEGIN
         - Anweisungen, die das Verhalten oder die Struktur des
           Bausteins beschreiben;
      END Rumpfname;

Programmierstile

Die im Architekturrumpf verwendeten Programmierungsstile lassen sich im Bereich von synthetisierbaren VHDL auf einige wenige grundlegende Formen reduzieren. Manchmal ist die Verwendung bestimmter VHDL-Stile im Rahmen bestimmter Entwicklungsprojekte auch vorgegeben:

1. Der vor allem bei Hardware-Entwicklern und Anfängern verbreitete dataflow-Stil. Charakteristisch ist, dass pro Architecture eine Vielzahl parallel ablaufender und meist im Umfang kleiner und synchroner Prozesse und nebenläufige Anweisungen verwendet werden, welche über Signale miteinander verbunden sind. Mit den Prozessen werden einzelne, meist elementare Hardwarestrukturelemente direkt in VHDL abgebildet und die Signale dienen sowohl zur Zustandsspeicherung innerhalb der einzelnen Prozesse als auch zur Informationsübermittlung zwischen diesen Prozessen. Während bei kleinen Architectures dieser Stil durchaus noch beherrschbar ist, sind die Nachteile bei größeren Modellen die Unübersichtlichkeit des Programmcodes. Durch die Parallelität der einzelnen Prozesse und deren Interaktionen kann das Verhalten der gesamten Schaltung nur schwer nachvollzogen werden.
2. Die so genannte 2-Prozessmethode^[1]. Bei diesem, vor allem im synchronen FPGA-Design vorteilhaften VHDL-Stil, besteht die Architecture nur noch aus zwei Prozessen: Einem, meist sehr komplexen rein kombinatorischen Prozess welcher den kompletten Algorithmus und das Verfahren beinhaltet und einen sehr simplen getakteten Prozess welcher alle Register (Zustandsspeicher) beinhaltet. Durch das Zusammenfassen von einzelnen Signalen in records lassen sich damit übersichtlich auch komplexe Algorithmen beschreiben. Durch das Abbilden des Verfahren in nur einem kombinatorischen Prozess lassen sich die beim dataflow-Stil nur schwer nachvollziehbare Nebenläufigkeiten mehrerer Prozesse vermeiden und ähnlich wie bei einer Programmiersprache, bei Bedarf mit Variablen, mit einem sequentiellen Ablauf beschreiben. Auch das Debuggen des VHDL-Codes kann aufgrund der sequentiellen Abarbeitung innerhalb des einen kombinatorischen Prozesses mit ähnlichen Methoden wie in der Softwareentwicklung erfolgen.

Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu klassischen Programmiersprachen

• In einer Hardwarebeschreibungssprache wird der Aufbau einer physikalischen Schaltung modellhaft beschrieben. Entgegen den meisten bekannten Programmiersprachen, welche einen sequentiellen Ablauf einzelner Anweisungen festlegen, die von einem Prozess (meist ein einziger Prozessor) abgearbeitet wird, gleicht VHDL mehr den objektorientierten Sprachen, mit denen Module beschrieben werden, die quasi gleichzeitig existent sind und simultan arbeiten.

• Es gibt verschiedene Arten von Modulen: Komponenten (engl. 'Component'), welche einzelne Schaltungsblöcke mit ihren Ein- und Ausgängen beschreiben, Prozeduren (engl. 'procedure'), welche funktionelle Abschnitte als Anweisungsfolge festlegen und Funktionen, welche Anweisungsfolgen zusammenfassen.

• Es gibt mehrere Arten der Datenübertragung und Speicherung. Unter anderem die bei VHDL wesentlich voneinander zu unterscheidenden sogenannten Signale, welche der Verknüpfung einzelner, paralleler Module dienen, und die sogenannten Variablen welche innerhalb von sequentiellen Anweisungsfolgen wie Prozessen und Prozeduren verwendet werden können. Die Typisierung ist davon unabhängig: So kann sowohl eine Variable vom Typ integer sein, als auch ein Signal vom Typ integer.
  Diese Erweiterung ist deswegen notwendig, weil in Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL nicht nur sequentielle Abläufe wie in einer Programmiersprache für Computersoftware beschrieben werden. Variablen können daher in VHDL nur in sequentiellen Abschnitten wie einem Prozess verwendet werden, während Signale der Informationsübermittlung zwischen einzelnen nebenläufigen (= parallel ablaufenden) Funktionsblöcken dienen.

Der funktionale Unterschied zwischen Signalen und Variablen besteht des Weiteren darin, dass Signale ihren neuen Zustand erst am Ende eines sequentiellen Prozesses annehmen, während Variablen ein Verhalten ähnlich wie bei Programmiersprachen zeigen und Zuweisungen unmittelbar wirken. Dieser Umstand ist vor allem für Anfänger meist verwirrend.

• Das Hinzufügen weiterer Komponenten in VHDL führt primär zu erhöhtem Platzbedarf und beeinträchtigt die zeitliche Abarbeitung bereits existenter Module praktisch nicht. Die zusätzlich generierte Hardware arbeitet voll parallel, während Module in Programmen immer Rechenzeit beanspruchen.

VHDL für analoge Schaltungen, VHDL-AMS

Seit 1999 laufen im Rahmen der IEEE verschiedene Bestrebungen, VHDL auch für die Simulation und künftig auch Synthese von analogen und gemischt analog-digitalen Schaltungen einzusetzen. Die Bezeichnung für diese erweitere Sprache ist VHDL-AMS und im Standard IEEE 1076.1-1999 definiert.

Im Rahmen von VHDL-AMS können beispielsweise analoge Temperatursensoren mit ihren elektrischen Signalverhalten als Funktion der Temperatur an den Anschlussklemmen modelliert werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, in VHDL-AMS Differentialgleichungen zur Beschreibung von elektrischen Netzwerkelementen wie Spulen oder Kondensatoren zu modellieren.

Derzeit sind allerdings keine Synthesetools für die Schaltungen erhältlich, welche in VHDL-AMS beschrieben sind. Lediglich für die Schaltungssimulation sind bereits verschiedene kommerzielle Softwarepakete wie Saber von Synopsys, AdvanceMS von Mentor Graphics oder SMASH von Dolphin Integration am Markt verfügbar. Diese Simulationsprogramme sind ergänzend zu etablierten analogen Schaltungssimulationsprogrammen der SPICE-Klasse (Eldo, Spectre, hSpice etc.) zu sehen. Sie ermöglichen die gemeinsame Simulation von Verhaltensmodellen zusammen mit Schaltungen auf Bauelementebene (Spice). Dies ist eine Grundvoraussetzung für die Top-Down Methode im Schaltungsentwurf. Da VHDL-AMS ein Obermenge von VHDL darstellt, ist die Simulation zusammen mit rein digitalen Schaltungsteilen in VHDL ebenso möglich.

VHDL-Editoren

• HDL-Designer ist ein kommerzielles grafisches Eingabewerkzeug für VHDL und Verilog.
• Crimson Editor (Win)
• DataFlow (grafische Eingabe) unter UNIX
• Signs (Plugin für Eclipse)

Darüber hinaus gibt es für viele gängige Editoren wie vi, Emacs Zusatzpakete für VHDL-Unterstützung.

VHDL-Simulatoren

• ModelSim (Win + Linux)
• SimPlorer
• SMASH (Win + Linux + Unix)
• Quartus II (von Altera, 7.0 Web Edition) (Win)
• GHDL (Linux)

Referenzen

1. ↑ 2-Prozess Methode (engl.)

Literatur

• Jürgen Reichardt / Bernd Schwarz: VHDL-Synthese, Entwurf digitaler Schaltungen und Systeme, 4. Auflage. München: Oldenbourg 2007. ISBN 978-3-486-58192-8
• Peter J. Ashenden: The Designer's Guide to VHDL, San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 2002. ISBN 1-55860-674-2
• Yannick Herve: VHDL-AMS, München: Oldenbourg 2006. ISBN 3-486-57787-5
• VASCO - RTL VHDL Application on Synthesis, MABEX - Multimedia Limited, ISBN 83-907288-9-3
• Peter J. Ashenden: VHDL - 2008. Just the new stuff. (Systems on Silicon), San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 2008. ISBN 978-0-12-374249-0

Weblinks

• The Hamburg VHDL Archive (englisch und deutsch)
• VHDL Kompakt: Mäder VHDL Einführung (deutsch)