mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 17:20:10 +00:00
9739429d6e
* СП. Обновление предисловия * СП. Обновление введения * СП. Обновление лаб * СП. Обновление доп материалов * СП. Введение * СП. Введение * СП. ЛР№4, 15 * СП. Базовые конструкции Verilog * Update Implementation steps.md * СП. ЛР 4,5,7,8,14 * СП. ЛР№8 * Синхронизация правок * СП. Финал * Исправление ссылки на рисунок * Обновление схемы * Синхронизация правок * Добавление белого фона .drawio-изображениям * ЛР2. Исправление нумерации рисунка
84 lines
10 KiB
Markdown
84 lines
10 KiB
Markdown
# 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 м<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-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:
|
||
|
||
<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:
|
||
|
||
|
||
|
||
_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).
|