ترمینال آزاد

چرت نویس های یک مهندس بیکار

اصل و نسب VHDL و Verilog

Verilog و VHDL هر دو زبان توصیف سخت‌افزار (HDL) صنعتی هستند که از آن‌ها به منظور نوشتن برنامه برای مدارات مجتمع الکترونیکی (IC)، ASIC و FPGA استفاده می‌شود. بسیاری از طراحان سیستم‌های دیجیتالی با این سوال روبرو می‌شوند که کدام زبان را انتخاب کنند، VHDL یا Verilog!؟

پاسخ به این سوال نه آسان هست و نه مهم! هر دوی این زبان‌ها همواره به‌طور گسترده مورد مقایسه و تقابل قرار گرفته‌اند بدون اینکه پیروز مشخصی برای این قیاس معرفی گردد. هر دوی آن‌ها معایب و محاسن مختص خود را دارند هر چند از دو منشا متفاوت می‌باشند. این دو زبان دارای سهم عمده‌ای از زبان‌های توصیف سخت‌افزاری هستند که در جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند. دشوار است که با اطمینان بگویم کدام زبان بهتر و برتر می‌باشد با این‌حال باید خاطر نشان شد که از بین این دو، VHDL قدیمی‌تر هست. شما می‌تواند طرح قوی و تست محیطی وسیعی را با هر دو زبان، برای FPGA یا ASIC پیاده‌سازی کنید.

زبان‌های VHDL و Verilog هر دو از زبان‌های برنامه‌نویسی مختلفی سرچشمه گرفته‌اند و توسط مکاتب فکری متفاوتی پشتیبانی می‌شوند. VHDL بر پایه Pascal و Ada ساخته شده، در نتیجه ویژگی‌های هر دوی این زبان‌ها را منعکس می‌کند. اما Verilog برخلاف VHDL بر‌اساس زبان برنامه‌نویسی C شکل گرفته و نسبت به VHDL جدیدتر می‌باشد. بررسی منابع اینترنتی حاکی از این است که Verilog عمدتا توسط برنامه‌نویسان HDL با پس‌زمینه و تجربه صنعتی پشتیبانی می‌شود درحالی که VHDL اکثرا توسط محافل علمی ساپورت می‌گردد.

توسعه VHDL در سال ۱۹۸۱ و توسط وزارت دفاع (DOD) ایالات متحده به منظور مقابله با بحران چرخه زندگی سخت‌افزاری آغاز شد. VHDL مختص وزارت دفاع توسعه داده شد تا یک زبان مدل‌سازی سخت‌افزاری استوار برای مستند‌سازی طراحی سیستم‌های دیجیتالی فراهم آورد. البته این واقعا به معنای طراحی سخت‌افزار فیزیکی نیست: بلکه هدف اصلی مدل‌سازی سخت‌افزاری بود. از آنجایی که Verilog یک دارایی معنوی برای Gateway Design Automation می‌باشد، برای بهره‌مندی از آن نهایتا باید از طریق Cadence اقدام کرد. بنابراین برای حفظ قدرت رقابتی و فاصله میان این دو از هرگونه روابط استراتژیک، Verilog از هرگونه کنترل پتانسیل رقابتی دور نگه داشته می‌شود. موسسات اتوماسیون طراحی الکترونیک (EDA)، موجب نفوذ قابل توجهی گردیده، ابتکار و سرمایه‌گذاری این شرکت موجب تبدیل این زبان به یک HDL مهم گردیده است. همین موسسات EDA، نسخه‌های نیمه یونیک (semi-unique) مختص خود از این زبان را در در سطوح مختلف پیاده‌سازی و توسعه، ایجاد و اجرا کرده‌اند. دلیل عدم پذیرش Verilog توسط EDA وجود یک اصل مهم بین موسسات EDA است که می‌گوید آنها باید مالک تمام فن‌آوری‌های core خود باشند که در این مورد توسط Verilog نقض می‌گردد، و آن بدلیل تعلق مالکیت معنوی آن به Cadence بود که امکان مالکیت عمومی را از آن سلب کرده بود. علاوه‌براین فروشندگان EDA خواستار شکستن سیطره Cadence روی ابزار طراحی IC و نرم‌افزاری در بازار بودند که موجب ترقی و ترویج VHDL به عنوان یک زبان باز می‌گردید. VHDL در سال ۱۹۸۷استاندارد IEEE 1076 را کسب نمود. این زبان در سال ۱۹۹۳ آپدیت گردید که امروزه با نام IEEE standard 1076 1993 شناخته می‌شود. مانند سایز استانداردهای IEEE، زبان VHDL باید فرآیندهای بررسی ۵ ساله (یا کمتر) را طی کند تا از ارتباط مداوم آن با صنعت اطمینان یافت. اولین اصلاحیه این زبان در سپتامبر ۱۹۹۳ انجام پذیرفت.

برخلاف VHDL، زبان Verilog سرچشمه گرفته از دنیای تجاری و صنعتی می‌باشد. Verilog به عنوان بخشی از شبیه‌ساز سیستمی توسعه یافته است، که شاید موجب گردیده به خوبی برای توصیف سیستم‌های سخت‌افزاری دیجیتال استفاده گردد. زبان Verilog در سال ۱۹۸۳ توسط gateway منتشر گردید. بعددا gateway در سال ۱۹۸۹ توسط Cadence خریداری گردید. Cadence به شرطی Verilog‌ را به رسمیت می‌شناخت که در رقابت با VHDL برابر فشار متعارفی که صنابع را مجبور به استفاده از VHDL می‌کند، بتواند نقش یک زبان بسته را برای رقابت ایفا کند. سراجام Cadence با انتشار رسمی Verilog در سال ۱۹۹۱، آن را به مالکیت عمومی درآورد. Verilog در سال ۱۹۹۵ موفق به کسب استاندارد IEEE گردید.

هر دوی این زبان‌ها مزایا و معایب منحصربه‌فرد خود را دارا می‌باشند و هیچ یک از آن‌ها کامل یا ایده‌آل نیست. در طراحی ASIC، زبان Verilog در تعریف سخت‌افزار بیشتر مناسب‌تر می‌باشد در حالی که برای مدلسازی سطح بالاتر، Verilog بدلیل عدم پکیج‌گذاری و تعاریف نوع حداقلی (records, access and enumeration) با محدودیت‌هایی مواجه است. هر کاری که با Verilog می‌توان به سرانجام رساند، با VHDL هم امکان‌پذیر می‌باشد در حالی که معکوس این قضیه صدق نمی‌کند. برنامه‌نویس HDL موظف به اتخاذ برخی سیاست‌های کاری/تجاری برای مواجهه با نیازهای طراحی می‌باشد و لازمه آن آشنایی با هر دوی این زبان‌های توصیف سخت‌افزار است.

 

این پست برگرفته از مطلب Verilog vs VHDL می‌باشد.

چی!؟ اف‌پی‌جی‌اِی!؟

داشتم تو یکی از وبلاگ‌های طراحی دیجیتال پرسه می‌زدم که یه پست جالب دیدم با عنوان “?what”. توضیح محاوره‌ای و خیلی جالبی در مورد اف‌پی‌جی‌اِی هستش برای کسی که تا حالا اسمشم نشنیده بود. به الگوی بقیه پست‌های وبلاگ نمی‌خورد این مطلبش (بقیه نوشته‌هاش تخصصی هستن) واسه همین واسم جالب اومد. گفتم ترجمه شده‌اش رو اینجا هم بذارم شاید کسی خواست قدم در این راه بندهد.

چی؟

اف‌پی‌جی‌اِی داداچ!

اف‌پی‌جی‌اِی چیه؟

یه تراشه کامپیوتری

شبیه چیزی که توی لپ‌تاپ و موبایلمه؟

تقریبا! تراشه‌های لپ‌تاپ و موبایل متمایل به کاربرد مخصوصی و خاصی هستند، در حالی که اف‌پی‌جی‌اِی می‌تونه برای هر کاری مورد استفاده قرار بگیره.

وایسا ببینم، مگه تراشه لپ‌تاپ من نمی‌تونه برای انجام هر کاری برنامه‌ریزی بشه؟

اونم تقریبا می‌تونه، تراشه معمولا برنامه‌هایی رو اجرا می‌کنه که بهش گفته شده، در حالی که اف‌پی‌جی‌اِی می‌تونه دوباره برنامه‌ریزی بشه تا بهش بگن چه کارهایی رو انجام بده.

آقا اوکی! ولی اینی که گفتی یعنی چی!؟

چی یعنی چی!؟ اف‌پی‌جی‌اِی؟ الان واست مسئله رو میشکافم. اف‌پی‌جی‌اِی تراشه کامپیوتری قابل برنامه‌ریزی هستش. این تراشه متشکل از گیت های منطقی بولین (AND, OR, Not, XOR) هستن که تعداد بسیار زیادی از این گیت‌ها در ساختار شبکه‌ای و سیم‌کشی های منطقی بینشون، یک تراشه اف‌پی‌جی‌اِی رو تشکیل میدن. تراشه‌های مدرن می‌تونن دفعات متعددی بعد از نصب هم برنامه‌ریزی بشن در حالی که تراشه‌های قبلی رو شما یک بار می‌تونید برنامه‌ریزی کنید یا بعضا مجبور هستیم تا شکاف کوچکی به داخل تراشه باز کرده و از نور ماورا بنفش استفاده کنیم. اف‌پی‌جی‌اِی مخفف عبارت آرایه گیت‌های قابل برنامه‌ریزی میدانی (FPGA: Field Programmable Gate Array) هستش. میدانی به این دلیل که می‌توان در هر نقطه‌ای پیاده‌سازی کرد، نه لزوما آزمایشگاه‌های ویژه، قابل برنامه‌ریزی بدلیل دستوری که برای اجرا ما برای تراشه تعریف می‌کنیم، گیت بدلیل کاکرد منطق دیجیتالی و در نهایت آرایه به دلیل شکلی که بلوک‌ها قرار دارند.

عجب! یه سوال دیگه: دلیل استفاده کسی از این تراشه‌ها چیه؟

در صنایعی که دارای میزان بالایی از تغییرات یا تعداد تولیدات محدودی هستند، اف‌پی‌جی‌اِی بهترین انتخاب هستش. بنابراین در صنایع دفعای که ممکنه از وسیله‌ای فقط ۲۰ عدد ساخته شود یا در تصویربرداری پزشکی که تعداد کم و چگونگی تغییرپذیری ملاک است نیاز می‌شود تا از دستگاه‌هایی استفاده گردد که توسط اف‌پی‌جی‌اِی ساخته شده‌اند. همچنین این تراشه برای نمونه‌سازی، گزینه مناسبی هستش. پس شاید اپل از اف‌پی‌جی‌اِی برای نمونه‌سازی آیپد بعدی استفاده کنه، اما بعدا آنها یک طراحی مخصوص مدار مجتمعی برای خط تولید طراحی خواهند کرد. هزینه ASIC اولیه یک میلیون دلار یا شایدم بیشتر باشه و نمونه بعدی حدود ده سنت. اما اف‌پی‌جی‌اِی اولیه چیزی حدود هزار دلار درمیاد اما تولیدهای بعدی هم به همین قیمت تموم میشه.

اما من فقط میخوام سرگرم بشم. یه هکرم یا یکی که واسه تفریح چیز میز می‌سازه نه یه شرکت. تکلیفم چیه؟

پس تو دنبال یک چیز دیگه‌ای. یک میکروکنترلر یا پردازنده ARM یا چیزی شبیه اینها. اف‌پی‌جی‌اِی گرون‌تر از اونیه که بشه ازش به عنوان سرگرمی استفاده کرد. از اینطرف سر و کله زدن باهاش دردسر داره و کار هر کسی نیست. من سایت‌های زیادی رو دیدم که میگن “خرید یک اف‌پی‌جی‌اِی و لود کردن هسته نرم‌پزدازشی روی اون‌ها وقت تلف کردنه، بجاش تراشه اصلی مخصوص رو بخرید.” اما ممکنه شما از اف‌پی‌جی‌اِی در طراحی یک امبدد سیستم استفاده کنید یا یک کارکرد بلادرنگ. این ویدئو نشان می‌دهد چگونه در سناریوی یک ربات، منطق متوازی مستقل اف‌پی‌جی‌اِی باعث ایجاد دقت بیشتری می‌شود.

اما این یه سایت سرگرمیه، درسته؟ چرا منو نسبت به استفاده از اف‌پی‌جی‌اِی دلسرد می‌کنی؟

اف‌پی‌جی‌اِی ها حقیقتا گزینه مناسبی برای هر کاربردی نیستند. آن‌ها کمی شبیه چاقوهای همه‌کاره سوئیسی هستند! پس شما می‌تویند هر کاری که با میکروکنترلر یا میکروپروسسور یا پردازنده سیگنال دیجیتال انجام می‌دید با اف‌پی‌جی‌اِی هم انجام بدین ولی چرا از یک چاقوی همه‌کاره سوئیسی واسه بریدن کره صبحانه استفاده کنیم وقتی یک کشو پر از انواع کارد صبحونه داریم که کار باهاشون راحت‌ترم هستش!؟ اما وقتی شما واسه پیک‌نیک میرین بیرون و همراهتون دلستر لیمو و کیک خونگی می‌برین نیاز به نوشابه بازکن و کارد آشپزخونه دارید (در یک اف‌پی‌جی‌اِی شما می‌دونید که برای مانیتورینگ یک سنسور، ایجاد ارتباط منطقی بین دو چیز و کنترل یک موتور به چه سخت‌افزار مخصوصی نیاز دارید) یا می‌تونید با یک چاقوی همه‌کاره سوئیسی کارتون رو راه بیندازید حتی اگه همیشه به درد بخور نباشد نسبتا راه مناسب‌تری هستش.

من یک طراح هستم و برنامه‌نویسی می‌کنم برای اینکه زندگی رو آسون‌ترش کنم و زبانی رو انتخاب می‌کنم که خیلی سریع باشه. رفتن سراغ برنامه‌نویسی اف‌پی‌جی‌اِی برای من چطوریاست؟ به کارم میاد یا نه؟

برای طراحی سخت‌افزار فاکتورای پیچیده زیادی هستش که باید باهاشون سر و کله بزنید. ابزارهای اینکار به خوبی ابزارهای طراحی نرم‌افزار نیستن. احتمالا شما برای تمامی مراحل طراحی نیاز به ابزار‌های مخصوص پولی خواهید داشت. در حالی که زبان‌های توصیف سخت‌افزاری (HDL: Hardware Description Language) به خاطر توابع آسانش خوانایی راحتی دارد، بخش دشوار ماجرا مربوط می‌شود به ماهیت متوازی طراحی سخت‌افزار. در نهایت، درباره اینکه اف‌پی‌جی‌آِی چه کاری می‌کند باید بگم جاهایی که موانعی برای حل و فصل انواع مسایل وجود داره، اف‌پی‌جی‌اِی به راحتی می‌تازه و همچنین برای کارهای دشواری مثل دیویژن، اعداد نقطه متغیر، اعداد بزرگ مراحال منطقی موجود در تناوب کلاک راه‌حل مناسبی هستش.

خب، قطعا این توضیحات مارو کمتر به عمق ماجرا برد، حتی اگه برم ویکیپدیا یا هر جای دیگه باز توضیحات سطحی هستن. من اگه بخوام عمقی اف‌پی‌جی‌اِی رو یاد بگیرم باید چیکار کنم؟

مثلا تو این سایت می‌تونید در مورد کاربرد اف‌پی‌جی‌اِی در بینایی ماشین بحث کنید. اینجا در مورد همین مسائلی که اینجا توضیح داده شد بحث میشه منتهی مفهومی‌تر و با توضیحات مفصل‌تر با تمرکز بر استفاده از اف‌پی‌جی‌اِی.