# Что такое язык описания аппаратуры (HDL)

На заре появления цифровой электроники, цифровые схемы<sup>1</sup> 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.

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

_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 115х140см с площадью около 1.6м<sup>2</sup>. 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. 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"/>

_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-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 уровня 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"/>

_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:

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

_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 еще 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:

![Схема полусумматора](../.pic/Introduction/What%20is%20HDL/fig_05.drawio.svg)

_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, 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[[4, 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.

## Источники

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. [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).

## Примечания

Несмотря на то, что данная глава пестрит термином "цифровая схема", определение этому термину будет дано только в начале следующей главы. Такое решение было принято в виду того, что данный документ проще и приоритетней к прочтению и не требует глубокого понимания данного термина, в то время как его определение более органично вписывается в следующей главе.