# Что такое язык описания аппаратуры (HDL)
На заре появления цифровой электроники, [цифровые схемы](https://github.com/MPSU/APS/blob/master/Introduction/How%20FPGA%20works.md#%D1%86%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5-%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC%D1%8B) в виде диаграммы на бумаге были маленькими, а их реализация в виде физической аппаратуры — большой. В процессе развития электроники (и её преобразования в микроэлектронику) цифровые схемы на бумаге становились всё больше, а относительный размер их реализации в виде физических микросхем — всё меньше. На _рис. 1_, вы можете увидеть цифровую схему устройства Intel 4004, выпущенного в 1971 году.
_Рисунок 1. Цифровая схема процессора Intel 4004 на уровне транзисторов[[1]](https://www.4004.com/mcs4-masks-schematics-sim.html)._
Данная микросхема состоит из 2300 транзисторов[[2]](https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_4004).
За прошедшие полсотни лет сложность цифровых схем выросла колоссально. Современные процессоры для настольных компьютеров состоят из десятков миллиардов транзисторов. Диаграмма выше при печати в оригинальном размере займет прямоугольник размером 115х140 см с площадью около 1.6 м2. Предполагая, что площадь печати имеет прямо пропорциональную зависимость от количества транзисторов, получим, что распечатка схемы современного процессора из 23 млрд транзисторов заняла бы площадь в 16млн м2, что эквивалентно квадрату со стороной в 4км.
_Рисунок 2. Масштаб размеров, которых могли бы достигать цифровые схемы современных процессоров, если бы они печатались на бумаге._
Как вы можете догадаться, в какой-то момент между 1971-м и 2024-м годами инженеры перестали разрабатывать цифровые схемы, рисуя их на бумаге.
Разумеется, разрабатывая устройство, не обязательно вырисовывать на схеме каждый транзистор — можно управлять сложностью, переходя с одного уровня абстракции на другой. Например, начинать разработку схемы с уровня функциональных блоков, а затем рисовать схему для каждого отдельного блока.
К примеру, схему Intel 4004 можно представить в следующем виде:
_Рисунок 3. Цифровая схема процессора Intel 4004 на уровне функциональных блоков[[2]](https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_4004)._
Однако несмотря на это, даже отдельные блоки порой бывают довольно сложны. Возьмем блок аппаратного шифрования по алгоритму AES[[3]](https://csrc.nist.gov/files/pubs/fips/197/final/docs/fips-197.pdf) на рисунке 4:
_Рисунок 4. Цифровая схема блока аппаратного шифрования по алгоритму AES[[4]](https://iis-people.ee.ethz.ch/~kgf/acacia/acacia_thesis.pdf)._
Заметьте, что даже этот блок не представлен на уровне отдельных транзисторов. Каждая операция Исключающего ИЛИ, умножения, мультиплексирования сигнала и таблицы подстановки — это отдельные блоки, функционал которых ещё надо реализовать.
В какой-то момент инженеры поняли, что проще описать цифровую схему в текстовом представлении, нежели в графическом.
Как можно описать цифровую схему текстом? Рассмотрим цифровую схему полусумматора:
_Рисунок 5. Цифровая схема полусумматора на уровне логических вентилей._
Это **устройство** (_полусумматор_) имеет два **входа**: _a_ и _b_, а также два **выхода**: _sum_ и _carry_.
Выход _sum_ является **результатом** логической операции **Исключающее ИЛИ** от операндов _a_ и _b_.
Выход _carry_ является **результатом** логической операции **И** от операндов _a_ и _b_.
Текст выше и является тем описанием, по которому можно воссоздать эту цифровую схему. Если стандартизировать описание схемы, то в нем можно будет оставить только слова, выделенные жирным и курсивом. Пример того, как можно было бы описать эту схему по стандарту IEEE 1364-2005 (язык описания аппаратуры (Hardware Description Language — HDL) Verilog):
```Verilog
module half_sum( // устройство полусумматор cо
input a, // входом a,
input b, // входом b,
output sum, // выходом sum и
output carry // выходом carry.
);
assign sum = a ^ b; // Где выход sum является результатом Исключающего ИЛИ от a и b,
assign carry = a & b; // а выход carry является результатом логического И от a и b.
endmodule
```
На первый взгляд такое описание выглядит даже больше, чем записанное естественным языком, однако видимый объем получен только за счёт переноса строк и некоторой избыточности в описании входов и выходов, которая была добавлена для повышения читаемости. То же самое описание можно было записать и в виде:
``` Verilog
module half_sum(input a, b, output sum, carry);
assign sum = a ^ b;
assign carry = a & b;
endmodule
```
Важно отметить, что код на языке Verilog описывает устройство целиком, одномоментно. Это **описание схемы** выше, а **не построчное выполнение программы**.
С практикой описание схемы в текстовом виде становится намного проще и не требует графического представления. Для описания достаточно только спецификации: формальной записи того, как должно работать устройство. По ней разрабатывается алгоритм, который затем претворяется в описание на HDL.
Занятный факт: ранее было высказано предположение о том, что инженеры перестали разрабатывать устройства, рисуя цифровые схемы в промежуток времени между 1971-м и 2024-м годами. Так вот, первая конференция, посвящённая языкам описания аппаратуры состоялась в 1973-м году[[5, стр. 8]](https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3386337). Таким образом, Intel 4004 можно считать одним из последних цифровых устройств, разработанных без использования языков описания аппаратуры.
## Список источников
1. [Intel 4004 — 50th Anniversary Project](https://www.4004.com/mcs4-masks-schematics-sim.html);
2. [Страница википедии по Intel 4004](https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_4004);
3. [F.Ka˘gan. Gürkaynak / Side Channel Attack Secure Cryptographic Accelerators](https://iis-people.ee.ethz.ch/~kgf/acacia/acacia_thesis.pdf);
4. [FIPS 197, Advanced Encryption Standart (AES)](https://csrc.nist.gov/files/pubs/fips/197/final/docs/fips-197.pdf);
5. [P. Flake, P. Moorby, S. Golson, A. Salz, S. Davidmann / Verilog HDL and Its Ancestors and Descendants](https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3386337).