VHDL appartient à la famille des langages de description de matériel,
en anglais HDL pour Hardware Description Languages.
Ici, le mot matériel désigne spécifiquement les circuits intégrés numériques.
Il existe également une variante de VHDL appelée VHDL-AMS (Analog and Mixed Signals).
qui permet de décrire des circuits mixtes analogiques et numériques.
Dans les pages qui précèdent, nous avons utilisé différents types de représentation
des circuits électroniques :
des représentations structurelles, dans lesquelles les composants d’un
circuit – transistors, portes, multiplexeurs, etc. – étaient représentés par
des symboles interconnectés ;
des représentations comportementales, dans lesquelles on s’intéressait au
fonctionnement d’un circuit sans détailler les composants qu’il contenait.
Par exemple, nous avons utilisé des tables de vérité, des expressions mathématiques,
des chronogrammes, des graphes d’états.
Ces représentations prenaient la forme de diagrammes, de tableaux, d’équations
destinées à être lues par des humains.
Le rôle d’un langage de description de matériel est de permettre la
modélisation de la structure et du comportement d’un circuit sous une forme
rigoureuse qui sera exploitable par des outils de développement de circuits
intégrés.
Les langages de description de matériel ressemblent à des langages de programmation
Pour représenter le comportement des circuits, les langages de description de
matériel réutilisent des concepts et des constructions issus des langages de programmation.
Par exemple, VHDL est inspiré du langage Ada pour tous les éléments permettant d’écrire
des algorithmes : le système de types de données, les expressions mathématiques,
les instructions conditionnelles, les boucles, les sous-programmes, etc.
Cette parenté avec les langages de programmation peut être source de confusion
pour les débutants, qui peuvent être tentés d’appliquer les même techniques
que lorsqu’ils développent du logiciel.
Les langages de description de matériel ne sont pas des langages de programmation
Dans un système informatique, on distingue :
le matériel, c’est-à-dire les circuits électroniques qui composent un ordinateur (processeur, mémoire, périphériques),
le logiciel, c’est-à-dire les instructions et les données des programmes que le processeur doit exécuter.
Un langage de programmation permet donc à des informaticiens d’écrire du logiciel
qui sera exécuté par un processeur.
Au plus bas niveau, un programme est composé d’instructions qui s’exécutent
l’une après l’autre dans l’ordre où elles sont rangées en mémoire.
Un langage de description de matériel permet à des électroniciens de réaliser
des processeurs, des périphériques ou tout autre circuit numérique.
Au plus bas niveau, un circuit est constitué de composants interconnectés qui
fonctionnent en parallèle.
Pour cette raison, une description de matériel est constituée en premier lieu
d’instructions concurrentes qui communiquent à travers des signaux.
L’écriture d’algorithmes sous forme de séquences d’instructions est un cas
particulier qui doit être isolé dans des processus.
Utilisations d’un langage de description de matériel
Les langages de description de matériel servent de point d’entrée à
différents outils de conception électronique – en anglais, on utilise le
terme EDA pour Electronic Design Automation.
Simulation
Un simulateur est un logiciel utilisé dans la mise au point d’une description de
matériel.
Son rôle est de simuler le fonctionnement d’un circuit auquel on présente
un jeu de signaux d’entrée et d’enregistrer, ou d’afficher les chronogrammes des signaux.
La simulation est une activité incontournable pour détecter et corriger les
bugs dans une description de matériel.
Elle permet de vérifier le bon fonctionnement du circuit en mode boîte blanche
avant sa réalisation.
Cela a deux avantages :
En raison du coût élevé de fabrication d’un nouveau circuit intégré, il ne
serait pas raisonnable d’envoyer en fabrication un circuit non validé.
Un circuit intégré offre des moyens limités pour analyser son comportement.
L’observation à l’oscilloscope des signaux sur les broches d’entrées/sorties,
ou l’accès aux signaux internes par JTAG,
ne sont pas aussi complets que l’affichage direct des chronogrammes dans un simulateur.
VHDL, Verilog et SystemVerilog proposent une variété d’instructions permettant
de décrire l’environnement du circuit à simuler et de créer des scénarios de test.
Le tableau ci-dessous propose quelques références d’outils de simulation :
Parmi les outils libres, on citera également l’outil GTKWave,
qui peut être utilisé conjointement avec GHDL, Verilator ou Icarus Verilog pour afficher des chronogrammes.
Vérification formelle
La simulation permet de vérifier le comportement d’une description pour les
scénarios de fonctionnement que vous avez choisis de simuler.
Malheureusement, certains bugs peuvent passer inaperçus jusqu’au moment où ils
sont déclenchés sur le terrain par une situation non prévue dans nos scénarios.
Un outil de vérification formelle prend en entrée une description d’un circuit
et un ensemble d’assertions, c’est-à-dire des propositions logiques qui doivent
être toujours vraies.
Votre description sera considérée comme correcte si l’outil parvient à établir
la preuve qu’elle respecte les assertions.
Si ce n’est pas le cas, l’outil pourra produire un contre-exemple, c’est-à-dire
un scénario pour lequel au moins une assertion n’est pas vérifiée.
Le tableau ci-dessous propose quelques références d’outils de vérification formelle
pour la description de matériel :
La synthèse logique consiste à transformer la description d’un circuit en une
interconnexion optimisée de composants logiques.
Selon la nature du circuit à réaliser, ces composants peuvent être :
des portes logiques, des bascules D, ou d’autres composants de base appelés standard cells
qui pourront être gravés sur le silicium à partir de bibliothèques d’empreintes
pour réaliser un circuit intégré spécifique (ASIC pour Application-Specific Integrated Circuit)
des LUT, des bascules D, des unités de calcul ou de mémorisation dédiées,
pour réaliser un circuit en utilisant un FPGA.
Le placement-routage consiste à organiser les composants sur la surface
du circuit et à tracer les interconnexions entre ces composants.
VHDL a été initialement créé pour permettre la documentation et la simulation
des circuits électroniques.
Pour cette raison, le langage autorise des descriptions de haut niveau,
très abstraites, qui peuvent servir de point de départ à une conception
manuelle du circuit, mais pour lesquelles la synthèse automatique n’est pas
toujours réalisable.
En pratique, les outils de synthèse acceptent seulement un sous-ensemble des
langages de description de matériel.
Une description est dite synthétisable si elle respecte des règles
d’écriture qui permettent d’associer les éléments de la description avec des
structures de circuits logiques identifiables (opérations arithmétiques et logiques,
multiplexeurs, registres, compteurs, machines à états).
Une description synthétisable est exprimée en termes de transferts de registres
– on parle de description RTL pour Register Transfer Level.
Elle sera typiquement organisée de manière à identifier des registres qui
mémorisent des données sur des fronts d’un signal d’horloge, et des fonctions
combinatoires qui font des calculs entre les fronts d’horloge,
conformément à ce schéma :
Le tableau ci-dessous propose quelques références d’outils de synthèse :
Les initiales VHDL signifient VHSIC Hardware Description Language,
où VHSIC désigne le programme de recherche et développement
Very High Speed Integrated Circuit initié par le gouvernement des USA en 1980.
Ce programme a permis des avancées dans tous les domaines du
développement et de la fabrication de circuits intégrés :
matériaux, procédés de lithographie, boîtiers, tests, outils de conception,
et langages de description.
VHDL est inspiré par le langage de programmation Ada,
également conçu en réponse à un appel à proposition du
Department of Defense des USA à la fin des années 1970.
Comme Ada, VHDL repose sur un système de types de données strict qui vise
à détecter très tôt certaines erreurs dans la manipulation des données,
mais qui peut parfois sembler trop contraignant.
Depuis les années 1980, VHDL a fait l’objet de nombreuses améliorations.
On désigne généralement les versions du langage de la manière suivante :
VHDL-87 est la version standardisée par l’IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) en 1987.
VHDL-93 est la révision effectuée par l’IEEE en 1993. C’est souvent la
version par défaut dans les outils de développement.
VHDL-2008 est la dernière révision en date.
Son intégration dans les outils de développement est rarement complète mais
elle progresse.
Verilog et SystemVerilog
Le langage Verilog a été créé entre 1983 et 1984 dans une entreprise
appelée Automated Integrated Design Systems, qui sera renommée
Gateway Design Automation avant d’être rachetée par Cadence.
Comme VHDL, il s’agissait à l’origine d’un langage destiné à modéliser et
simuler des circuits logiques.
L’utilisation de Verilog pour la synthèse logique est
apparue ultérieurement.
Verilog est un langage moins riche, et de plus bas niveau, que VHDL.
Sa syntaxe plus légère et ses types de données plus permissifs le rendent plus
facile à aborder, mais peuvent aussi rendre les descriptions moins lisibles
et les erreurs plus difficiles à détecter.
Le langage SystemVerilog est une extension de Verilog
proposée au début des années 2000.
Comparé à Verilog, SystemVerilog apporte de nombreuses améliorations :
De nouveaux types de données et la possibilité de définir des types de données personnalisés.
Les interfaces, pour mieux structurer les ports des modules.
Les classes, inspirées des langages de programmation à objets.
Des assertions, qui peuvent être utilisées en vérification formelle.
Langages dérivés de langages de programmation
Il s’agit ici de langages de programmation dont l’usage a été détourné
pour permettre la description de matériel.
Parmi eux SystemC est un standard IEEE, comme VHDL et Verilog.
Il figure parmi les langages supportés par les outils de développement commerciaux.
Les descriptions de matériel en Python et Scala doivent d’abord être
converties en VHDL ou en Verilog avant d’être synthétisées.
Dans la suite de ce document, vous allez vous familiariser avec le langage VHDL.
Ce langage étant très riche et complexe, nous n’en présentons qu’une partie
en nous limitant aux éléments nécessaires à un débutant pour écrire
des descriptions synthétisables.
