# Что такое язык описания аппаратуры (HDL)

На заре появления цифровой электроники, цифровые схемы 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 рисунке ниже, вы можете увидеть диаграмму цифровой схемы устройства intel 4004, выпущенного в 1971 году.

![../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/i4004.gif](../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/i4004.gif)

Данная микросхема состоит из 2300 транзисторов.  
За прошедшие полсотни лет сложность цифровых схем выросла коллосально. Современные процессоры для настольных компьютеров состоят из десятков миллиардов транзисторов. Диаграмма выше при печати в оригинальном размере займет прямоугольник размером 115х140см с площадью около 1.6м<sup>2</sup> . Предполагая, что площадь печати имеет прямопропорциональную зависимость от количества транзисторов, получим что печать диаграммы современных процессоров потребует площадь в 16млн. м<sup>2</sup>, что эквивалентно квадрату со стороной в 4км.

<img src="../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/ancient_city.png" alt="Старый город" width="400"/>

Как вы можете догадаться в какой-то момент между 1971-ым и 2022-ым 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 соединения функциональных блоков, а затем рисовать схему для каждого отдельного блока.  
К примеру, схему intel 4004 можно представить в следующем виде:

<img src="../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/4004_arch.png" alt="../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/4004_arch.png" width="500"/>

Однако несмотря на это, даже отдельные блоки порой бывают довольно сложны. Возьмем блок аппаратного шифрования по алгоритму AES на рисунке ниже:

![../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/aes_enc_sml.png](../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/aes_enc_sml.png)

Заметьте, что даже этот блок не является атомарным. Каждая операция Исключающего ИЛИ, умножения, мультиплексирования сигнала и таблицы подстановки — это отдельные блоки, функционал которых еще надо реализовать.
В какой-то момент, инженеры поняли что проще описать цифровую схему в тексовом представлении, нежели в графическом.  
Как можно описать цифровую схему текстом? Рассмотрим цифровую схему полусумматора:

![Схема полусумматора](../.pic/Labs/lab_01_adder/fig_01.drawio.png)

Это **устройство** (_полусумматор_) имеет два **входа**: _a_ и _b_, а так же два **выхода**: _S_ и _P_.
Выход _S_ является **результатом** логической операции **Исключающее ИЛИ** от операндов _a_ и _b_.
Выход _P_ 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  S,        // выходом S и
  output  P         // выходом P.
);

assign S = a ^ b;   // Где выход S является результатом Исключающего ИЛИ от a и b,
assign P = a & b;   // а выход P является результатом логического И от a и b.

endmodule
```

На первый взгляд кажется, что такое описание даже больше, чем записанное естественным языком, однако так кажется только из-за 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 S, P);
  assign S = a ^ b;
  assign P = a & b;
endmodule
```

Обратите внимание, что код на языке Verilog описывает устройство целиком, одномоментно. Это описание схемы выше, а не построчное выполнение программы.  
Может показаться, что описывать устройство текстом сложнее, чем рисовать схему, тем более, что сперва мы **уже нарисовали схему**, а затем её описали. Однако, с практикой описание схемы в текстовом виде становится намного проще и не требует диаграммы. Для описания достаточно только спецификации: формальной записи того, что должно делать устройство, по которой 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-ым и 2022-ым годами. Так вот, первая конференция, посвященная языкам описания аппаратуры состоялась в 1973-ем году. Таким образом, Intel 4004 можно считать одним из последних цифровых устройств, разработанных без использования языков описания аппаратуры.