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VHDL Einführung

VHDL Einführung

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis VHDL 1 Allgemeines und Geschichte ............................................................................... 3 1.1 Geschichte ................................................................................................... 3 1.2 Analoge Systeme ......................................................................................... 3 2 Funktionsweise von VHDL .................................................................................. 3 2.1 Abstraktionsebenen...................................................................................... 4 2.1.1 Architektur............................................................................................. 4 2.1.2 Funktion ................................................................................................ 4 2.1.3 Register-Transfer .................................................................................. 4 2.1.4 Logik ..................................................................................................... 5 2.1.5 Transistor und Physikalische Umsetzung ............................................. 5 2.2 Fazit ............................................................................................................. 5 3 Aufbau eines VHDL-Projektes............................................................................. 5 3.1 Package ....................................................................................................... 6 3.2 Entity ............................................................................................................ 6 3.3 Architecture .................................................................................................. 6 3.3.1 Strukturbeschreibung ............................................................................ 6 3.3.2 Verhaltensbeschreibung ....................................................................... 7 3.3.3 Prozesse ............................................................................................... 7 3.4 Configuration................................................................................................ 7 3.5 Testbench .................................................................................................... 8 4 VHDL Beispiel ..................................................................................................... 8 4.1 Aufgabenstellung.......................................................................................... 8 4.2 Package ....................................................................................................... 9 4.3 Entity ............................................................................................................ 9 4.4 Architecture .................................................................................................. 9 4.5 Testbench .................................................................................................. 10 4.6 Simulationsergebnis ................................................................................... 12 5 VHDL-Hardware ................................................................................................ 13 5.1 CPLDs........................................................................................................ 13 5.2 FPGAs........................................................................................................ 13 6 Quellenverzeichnis ............................................................................................ 15 Bernhard Wintersperger 2

1 Allgemeines und Geschichte VHDL VHDL ist eigentlich eine Abkürzung, steht für „Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language“ und wird auch „VHSIC Hardware Description Language“ genannt. Es handelt sich dabei um eine weit verbreitete Hardwarebeschreibungssprache zur Beschreibung von digitalen Systemen. Eine solche Sprache ist zwar grundsätzlich mit einer Programmiersprache vergleichbar, bietet aber anders als diese, die Möglichkeit ein „Stück Hardware“ zu beschreiben, bevor es physisch hergestellt wird. 1.1 Geschichte VHDL selbst wurde 1983 vom amerikanischen „Department of Defense“ initiiert und 1987 zum ersten Mal von der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) standardisiert (IEEE 1076-1987). Die erste kommerzielle Version kam 1985 auf den Markt und wurde von IBM, Texas Instruments und Intermetrics entwickelt. Der aktuelle Standard stammt aus dem Jahr 1993 (IEEE 1976-1993) und enthält hauptsächlich Syntaxänderungen zum Originalstandard. Der ursprüngliche Initiator von VHDL, das US-Verteidigungsministerium, das „Department of Defense“ – kurz DoD, ist bis heute auch einer der größten Anwender davon, in Nordamerika sogar der größte. Dieses Ministerium zeichnet auch für die heutige strikte Syntax der Sprache verantwortlich, da es die Einhaltung ebendieser zu einer Voraussetzung für die Erteilung von Aufträgen machte. 1988 legt das DoD sogar fest, dass alle digitalen Schaltungen in VHDL geschrieben sein müssen. 1.2 Analoge Systeme Um nicht nur digitale Systeme beschreiben zu können, wurde als Erweiterung zu VHDL AHDL entwickelt. AHDL steht für „Altera Hardware Description Language“ und wurde von der Firma Altera entwickelt, um das Verhalten von elektronischen Bauelementen zu simulieren und vorauszuberechnen, ohne diese real aufbauen zu müssen. Darüber hinaus gibt es auch VHDL-AMS. Mittels VHDL-AMS können analog-digitale Schaltungen simuliert werden. Es können beispielsweise Differentialgleichungen zur Beschreibung von Spulen oder Kondensatoren eingegeben werden. VHDL-AMS wurde 1999 unter dem Standard IEEE 1076.1-1999 standardisiert. VHDL-AMS soll außerdem in der Lage, sein den Rahmen der elektrischen Simulation zu verlassen und eine möglichst vollständige Systemsimulation bieten. 2 Funktionsweise von VHDL Um mittels VHDL zu einer integrierten Schaltung zu kommen, arbeitet man nicht mehr mit den einzelnen Bauteilen der Schaltung, sondern beschreibt das gewünschte Verhalten der Schaltung. Genau hier liegt auch der große Vorteil von VHDL. Anstatt sich mühsam mit der Verbindung einzelner Bauteile befassen zu müssen, beschreibt man schlicht das gewünschte Verhalten und lässt sich die dazu passende Schaltung mittels Synthesetools synthetisieren. Ein weit verbreitetes Tool ist WebPack der Firma Xilinx. Um nun zu einem digitalen System mithilfe von VHDL zu gelangen, gilt es ganz allgemeine Abstraktionsebenen zu durchlaufen. Bernhard Wintersperger 3

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