VHDLهي اختصار لـVHSIC HDL وهي اختصار لـ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language وهي تعني لغة توصيف العتاد للدارات المتكاملة ذات السرعات المرتفعة جداً.

ولغة VHDL هي لغة برمجة قياسية صممت من قبل وزارة دفاع الولايات المتحدة حيث تستعمل في وصف، وتصميم، ومحاكاة دارات VHSIC. أصبحت منذ عام 1987 إحدى مقايس IEEE وتمت مراجعتها في عام 1997.

تتيح هذه اللغة توصيف التوازي والترابط بالإضافة للتعبير المفصل والمباشر للزمن وتسمح ايضا بتوصيف الدارات التماثلية لكنها غالبا ما تستخدم في تصميم دارات FPGA.

VHDL مقتبسة من لغة Ada في المفهوم العام كالرموز والمصفوفات أحادية البعد وهجريب 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 البانات كالنوع العددي(السليم والحقيقي)والمنطقي(البولياني والبتي)والنوع الحرفي والوقتومصفوفة 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 حتى تقرأ وتخط 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 أولغات التجميع التي تسمع على مستوى شيفرة الآلة بشكل متعاقب تعليمة واحدة جميع مرة لكل بنيان . وعندما يترجم نموذج VHDL إلى بوابات وأسلاك التي تكون منظمة على جهاز منطقي قابل للبرمجة مثل FPGA أو CPLD والعتاد العملي يحدد من شيفرة VHDL المنفذة كما في بعض أشكال شريحة المعالج.

البداية:

في لغة VHDL كما في أي لغة برمجة عتادية أوبرمجية كي تكون خبيراً فإن ذلك يحتاج دراسة وتمرين ،وإذا كان المستخدم يرغب بتفهم تشفيرRTL كتصميم دارات عتادية عن طريق VHDL فإن حزم التصميم والهجريب الموجودة كافية للتفهم.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 بنطقب بدء مفيد لتشفير الأنواع الأساسية من التعليمات التكرارية والدروس التي يتضمنها التي يتضمنها مفيدة ومساعدة . تقريباً جميع نسخ المحاكاة وتصميم FPGA تدعم كلا Verilog وVHDL تسمح للمستخدم بتفهم كلا اللغتين . بالإضافة إلى حتى معظم التصاميم المستوردة نماذج من المخطات وبعض التصاميم التي تتضمن عدة Architecture .

البنية الأساسية

• entity (كيان)، يحدد قابلة الترابط (المداخل والمخارج) فقط من دون تحديد الوظيفة.
• architecture (البنيان)، يحدد وظيفة الكيان ويتالف من قسمين تصريحي (declarative) وإيعازي (command).

طرق توصيف البنيان

• توصيف بنيوي structure
  • التوصيف على مستويات عليا
  • يستخدم بشكل اساسي لدى المحاكاة
• توصيف سلوكي behavior
  • مناسب لعمليات الهجريب synthesis
  • المصمم يتحكم ببنية تصميمه.

باقات تصميم ومحاكاة مجانية لـ VHDL/Verilog:

* لوكان Modelsim مركـّباً على الحاسوب، فباستطاعة برنامج ISE حتى يستدعي إمكانيات ModelSim لواحتاجها. (ISE 9.2i comes with an integrated simulator)
** Limited to vendor's device-database

أمثلة:

بوابة AND:

شرح سهل للبوابات المنطقية تقنية رقمية

تبدوكالتالي 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 تبدومملة لمبتدئي VHDL فأجزاء كثيرة يمكن حتى تبدولنا اختيارية أويمكن حتى تخط مرة واحدة فقط,بالإضافة إلى استخدام عناصر std_logic الذي يمكن استبداله بالنوع Bit ونتجنب استيراد المخطة في البداية,لكن استخدام 9 valued logic(U,X,0,1,Z,W,L) بدلاً من (0,1) يقدم محاكاة قوية جداً وأدوات تسليم أخطاء غير موجودة في لغات HDL الأخرى. في الأمثلة التالية سنرى كيف من الممكن أن حتى كود VHDL يخط بشكل مدمج لكن المصممين عادة يتجنبون النماذج المدمجة ويستخدمون أسلوب تشفير ممل أكثر من أجل حتىقد 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;

الصورة في الأعلى تبين بنية مضمم 4×1 وبالمقبال نشاهد الشيفرة المصدرية التي يصف هذه البنية ويستخدم كيفية 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;

والنطقب 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 :

وهوأساس من اجل جميع 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 اشارات 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 ولج وضع وإعادة الوضع ولكن لا نستخدمها.

والمثالين التاليين غير متساويين ... الأول تعبير عن القلاب D .. والثاني تعبير 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 تعبير 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 فيبوناتشي :

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;

المصادر

VHDL Primer by J.Bhasker.

طالع أيضاً

• Verilog
• SystemC
• Register transfer level
• Electronic design automation
• Complex programmable logic device (CPLD)
• Field Programmable Gate Array (FPGA)
• Application Specific Integrated Circuit (ASIC)
• Free VHDL Simulator from Xilinx [1]

وصلات خارجية

• The FAQ of news://comp.lang.vhdl
• comp.lang.vhdl Newsgroup
• IEEE VASG (VHDL Analysis and Standardization Group) - Official VHDL Working Group
• GHDL, a complete Free Software VHDL compiler/simulator, built on top of GCC.
• John's FPGA Page - List of VHDL and FPGA resources, including VHDL tutorials.
• www.opencores.org - home of many open source VHDL and Verilog projects

قراءات اضافية

• Johan Sandstrom (October 1995). "Comparing Verilog to VHDL Syntactically and Semantically". Integrated System Design. EE Times. — Sandstrom presents a table relating VHDL constructs to Verilog constructs.
• Qualis Design Corporation (2000-07-20). "VHDL quick reference card" (PDF). 1.1. Qualis Design Corporation.
• Qualis Design Corporation (2000-07-20). "1164 packages quick reference card" (PDF). 1.0. Qualis Design Corporation.
• Qualis Design Corporation (2007-03-29). "VHDL quick reference card" (PDF). 2.2. Qualis Design Corporation.
• Qualis Design Corporation (2007-03-29). "1164 packages quick reference card" (PDF). 2.2. Qualis Design Corporation.
• Janick Bergerdon, "Writing Testbenches: Functional Verification of HDL Models", 2000, ISBN 0-7923-7766-4. (The HDL Testbench Bible)