mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 17:20:10 +00:00
61 lines
8.3 KiB
Markdown
61 lines
8.3 KiB
Markdown
# 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.
|
||
|
||
|
||
|
||
Данная микросхема состоит из 2300 транзисторов.
|
||
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 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:
|
||
|
||
|
||
|
||
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:
|
||
|
||
|
||
|
||
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.
|