VHDL

ภาษา VHDL 

      ความซับซ้อนและขนาดของระบบดิจิตอลในปัจจุบันได้เพิ่มมากขึ้นทุกขณะ ส่งผลให้มีการนำคอมพิวเตอร์เพื่อช่วยใน การออกแบบหรือ CAD มาใช้ในขบวนการออกแบบฮาร์ดแวร์เพิ่มขึ้นเช่นกัน อีกทั้งอุปกรณ์และวิธีการ ออกแบบใหม่ๆ ก็ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อช่วยอำนวยความสะดวกให้กับนักออกแบบมากขึ้นด้วย สำหรับภาษาบรรยายอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ (HDL : Hardware Description Language) ก็เป็นเครื่องมืออย่างหนึ่งที่ได้รับการพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง เพื่อช่วยให้การปรับปรุงขบวนการออกแบบระบบดิจิตอลเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ

การออกแบบระบบดิจิตอล

      ในการออกแบบระบบดิจิตอล เริ่มตั้งแต่การกำหนดแนวความคิดเบื้องต้นจนกระทั่งได้ออกมาเป็นอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ ที่ใช้งานได้จะต้องผ่านขั้นตอนต่างๆ มากมาย และในแต่ละขั้นตอนผู้ออกแบบจะต้องตรวจสอบผลลัพธ์ในแต่ละขั้น ก่อนเข้าสู่กระบวนการออกแบบในขั้นต่อไป รูปที่ 1 แสดงขั้นตอนปกติที่ใช้ในการออกแบบระบบดิจิตอลทั่วไป ขั้น แรกผู้ออกแบบจะกำหนดแนวความคิดในการออกแบบแล้วทำการพัฒนาให้สามารถนำมาใช้ได้อย่างสมบรูณ์ ซึ่งภาย ในขั้นตอนนี้ผู้ออกแบบจำเป็นต้องสร้างรูปแบบระบบในเชิงพฤติกรรมขึ้นมาตรวจสอบซึ่งอาจจะเป็นผังงานแสดงแบบหรือ รหัสคำสั่งเทียม (Pseudo code) ก็ได้

รูปที่ 1 แสดงขั้นตอนการออกแบบระบบดิจิตอล

      ขั้นตอนต่อไปเป็นการออกแบบระบบเส้นทางของข้อมูล ผู้ออกแบบจะกำหนดส่วนประกอบของรีจิสเตอร์และวงจรลอจิก ที่จำเป็นทั้งหมดเพื่อนำมาประกอบเป็นระบบที่สมบรูณ์ โดยแต่ละองค์ประกอบสามารถเชื่อมต่อกันด้วยบัสหนึ่งหรือสอง ทิศทาง (Unidirectional or Bidirectional Bus) ส่วนกระบวนการในการควบคุมการเคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่าง รีจิสเตอร์และวงจรลอจิกจะขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของระบบที่กำหนดไว้ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 การออกแบบระบบเส้นทางของข้อมูล

      ขั้นตอนถัดมาเป็นการออกแบบวงจรลอจิก ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับการนำเกทดิจิตอลพื้นฐานและฟลิปฟลอป (flip-flop) มาประกอบเป็นอุปกรณ์ย่อยต่างๆ เช่น รีจิสเตอร์เก็บข้อมูล บัสวงจรลอจิก และส่วนควบคุมฮาร์ดแวร์ ซึ่งผลลัพธ์ ที่ได้ในขั้นตอนนี้จะเป็นเครือข่ายของการโยงใยระหว่างเกทและ ฟลิปฟลอปนั่นเองการออกแบบในขั้นตอนถัดไป เป็นการเปลี่ยนเครือข่ายการโยงใยที่ได้จากขั้นตอนที่แล้วให้เป็นลำดับของทรานซิสเตอร์ (Transistor List) และ Layout ซึ่งขั้นตอนนี้จะเกี่ยวข้องโดยตรงกับการจัดวางทรานซิสเตอร์หรือไลบรารีเซลล์เพื่อ แทนเกทและฟลิปฟลอปต่างๆและในขั้นตอนสุดท้ายจะเป็นการส่งระบบที่ออกแบบไว้ไปทำการเจือสารที่โรงงานเพื่อผลิตออกมาเป็น วงจรรวมในที่สุด

ประวัติความเป็นมาของภาษา VHDL

      VHDL ย่อมาจากคำว่า VHSIC Hardware Description Language (VHSIC : Very High Speed Integrated Circuit) เป็นภาษาโปรแกรมระดับสูง (High Level Language) ที่ใช้สำหรับการออกแบบฮาร์ด แวร์ในระบบดิจิตอล ตัวของภาษาสามารถบรรยายพฤติกรรมการทำงานในรูปของลำดับชั้น (Hierarchy) และ สามารถเขียนได้หลายรูปแบบ ด้วยเหตุผลนี้จึงทำให้ภาษา VHDL เป็นเครื่องมือที่ใช้ออกแบบตั้งแต่ขั้นตอนบนสุด คือ แนวความคิดที่จะแก้ปัญหา ลงไปทีละขั้นจนถึงขั้นตอนของการสร้างวงจรจริง และตัวภาษาก็เปิดโอกาสให้วิศวกร ได้พัฒนาและจำลองการทำงานของรูปแบบฟังก์ชันการทำงานของวงจรอย่างสังเขป โดยยังไม่ต้องคำนึงถึงรายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างวงจรจริง นอกจากนั้น VHDL ยังเป็นภาษาที่สนับสนุนลักษณะต่างๆ ของระบบดิจิตอลที่มี ความซับซ้อนได้ทั้งหมด ดังนั้น VHDL จึงเป็นภาษาที่น่าสนใจในการศึกษาและนำไปใช้งานเป็นอย่างยิ่ง วิวัฒนาการของภาษา VHDL เริ่มต้นประมาณปี ค.ศ. 1981 เมื่อกระทรวงกลาโหมสหรัฐอเมริกา หรือ DoD (Department of Defense) ได้พยายามปรับปรุงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในกิจการทางทหาร ให้มีความทันสมัยมากขึ้น ประกอบกับเทคโนโลยีทางด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์มีการพัฒนาไปอย่างรวดเร็วดังจะเห็นได้ จากการนำวงจรดิจิตอลหลายๆ วงจรมาทำการผลิตอยู่บนแผ่นซิลิกอนที่มีพื้นที่เพียง 1 - 2 ตารางเซนติเมตรเท่านั้น ซึ่ง เป็นผลให้ประสิทธิภาพในการทำงานของวงจรสูงขึ้นตลอดจนความน่าเชื่อถือ ในการทำงานและความคงทนต่อสภาพ แวดล้อมสูง แต่เนื่องจากในขณะนั้นขั้นตอนของการออกแบบ การผลิต และการตรวจสอบวงจรต้นแบบ เป็นขบวนการที่ ต้องใช้วิศวกร และเวลาในดำเนินการมาก ฉะนั้นทาง DoD จึงจัดตั้งโครงการขึ้นมาเพื่อศึกษาวิธีการที่ช่วยในการพัฒนา วงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวงจรระบบดิจิตอล ให้สามารถนำไปผลิตได้เร็วขึ้น ซึ่งโครงการดังกล่าวมีชื่อว่า "Very High Speed Integrated Circuits" หรือ VHSIC โดยในระยะแรกนั้นโครงการนี้ถือเป็นความลับทาง ด้านความมั่งคงของประเทศ และอยู่ภายใต้ความควบคุมดูแลของ United States International Traffic and Arms Regulations (ITAR) สำหรับมาตรฐานของภาษาที่ใช้บรรยาย พฤติกรรมวงจรหรือฮาร์ดแวร์ของระบบ สำหรับโครงการ VHSIC ที่ DoDได้ให้ไว้สามารถสรุปได้ดังนี้

- ต้องเป็นภาษาที่นำไปเขียนรูปแบบระบบดิจิตอล และมีคุณสมบัติที่สามารถเข้าใจได้ทั้ง        มนุษย์และเครื่อง คอมพิวเตอร์โดยไม่ต้องมีการแปลหรือเปลี่ยนแปลงอีก
- สามารถนำไปใช้เป็นเอกสารประกอบโครงการได้
- ต้องเป็นภาษาที่เขียนขึ้นสำหรับใช้จำลองการทำงานของวงจร

      ฉะนั้นภาษาดังกล่าวนี้จึงจัดเป็นภาษาโปรแกรมระดับสูง เช่นเดียวกับภาษาปาสคาล หรือภาษาซี ซึ่งในทางวิศวกรรม ภาษาที่ใช้ในการออกแบบฮาร์ดแวร์นี้เรียกว่า "Hardware Description Language" หรือ HDL

     ในตอนเริ่มแรกนั้น DoD ได้มอบหมายให้บริษัทไอบีเอ็ม เท็กซัสอินสตูเมนท์ และอินเตอร์เมทริกซ์ เป็นผู้ศึกษาและพัฒนา โครงการ ซึ่งการดำเนินงานเป็นไปอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งในปี ค.ศ.1985 ทาง ITAR ได้ยกเลิกข้อจำกัดในการถ่ายทอด เทคโนโลยีทางทหารออกจากโครงการนี้ ดังนั้นภาษา VHDL จึงเริ่มเป็นที่รู้จักกันโดยทั่วไป และประมาณปี ค.ศ. 1987 IEEE ได้ทำการกำหนดมาตรฐานของภาษานี้เป็น IEEE 1076-1987 และมีชื่อเรียกว่า VHDL ซึ่งมาตรฐานนี้ได้รับ การปรับปรุงจนเป็นมาตรฐาน IEEE 1076-1993 หรือ VHDL 1993 เนื่องจากในขณะนั้น DoD เป็นลูกค้ารายใหญ่ ของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ ดังนั้นจึงมีผู้รับโครงการต่างๆ จาก DoD ไปดำเนินการวิจัยและพัฒนา เป็นจำนวนมาก และเพื่อให้ทุกโครงการอยู่ในมาตรฐานเดียวกันหมด ดังนั้นทาง DoD จึงได้กำหนดว่า ทุกๆ โครงการต้อง เขียนอยู่ในรูปของภาษา VHDLเท่านั้น ซึ่งทำให้ DoD สามารถนำโครงการเหล่านี้ไปจำลองกับเครื่องคอมพิวเตอร์ได้ หลายๆระบบ

ข้อกำหนด

DoD ได้ตั้งข้อกำหนดสำหรับภาษา VHDL ในเดือนมกราคมปี ค.ศ.1983 ไว้ดังนี้

1. ลักษณะทั่วไป

       DoD ได้กำหนดให้ VHDL เป็นภาษาสำหรับการออกแบบและบรรยายของฮาร์ดแวร์ ซึ่งหมายถึงความสามารถ ในการอธิบายและออกแบบในระดับสูง การจำลอง (Simulation) การสังเคราะห์ (Synthesis) และการทดสอบ (Testing) นอกจากนั้น VHDL ยังถูกกำหนดไว้สำหรับการบรรยายฮาร์ดแวร์ตั้งแต่ระดับบนซึ่งก็คือระบบจนถึง ระดับเกทอีกด้วย เนื่องจากในการทำงานของระบบดิจิตอลนั้น ทุกๆ องค์ประกอบภายในระบบไม่ว่าเล็กหรือใหญ่ จะทำงานไปพร้อมๆ กัน ซึ่งในเรื่องของความพร้อมเพรียงในการทำงานนี้ก็ถือเป็นข้อกำหนดที่สำคัญอย่างหนึ่งของ VHDL ด้วยเช่นกัน (สำหรับในภาษาที่ใช้ในการบรรยายฮาร์ดแวร์นั้นความพร้อมเพรียงจะหมายถึงทุกๆ คำสั่ง องค์ประกอบ เกทหรือวงจรลอจิกจะถูกนำมาปฏิบัติทั้งหมด ดังนั้นในที่สุดแล้วก็จะดูเหมือนว่าได้มีการปฏิบัติไป พร้อมๆ กัน)

2. สนับสนุนการออกแบบแบบลำดับขั้น

      การออกแบบแบบลำดับขั้นเป็นลักษณะที่สำคัญอย่างหนึ่งสำหรับการออกแบบระบบที่มีหลายๆ ระดับ โดยในการ ออกแบบจะประกอบด้วยส่วนการบรรยายการเชื่อมต่อ และส่วนการบรรยายหน้าที่การทำงาน ซึ่งหน้าที่การทำงาน ของระบบสามารถกำหนดได้ด้วยตัวเอง หรืออาจถูกกำหนดโดยโครงสร้างที่ประกอบด้วยองค์ประกอบย่อยๆ ลง ไปได้เช่นกัน แต่ที่ระดับล่างสุด องค์ประกอบต้องถูกบรรยายหน้าที่การทำงานด้วยตัวมันเอง และไม่สามารถกำหนด การทำงานโดยลักษณะแบบโครงสร้างได้

3. ไลบรารี 

      VHDL ได้สนับสนุนการมีไลบรารีเพื่อระบบการจัดการที่ดี ผู้ออกแบบสามารถกำหนดลักษณะและการทำงานของ อุปกรณ์พื้นฐานไว้ในระบบไลบรารี หรือจะใช้ไลบรารีที่ระบบได้จัดเตรียมไว้แล้วก็ได้ โมเดลและการบรรยายที่ถูก ต้องควรจัดเก็บไว้ในไลบรารีหลังจากที่ได้ผ่านการคอมไพล์เรียบร้อยแล้วเพื่อให้ผู้ออกแบบคนอื่นๆ สามารถนำไป ใช้ได้ด้วย

4. ลำดับคำสั่ง 

      แม้ว่าการปฏิบัติคำสั่งหรือกระบวนการโดยพร้อมเพรียงกันจะเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของ VHDL ก็ตาม ตัวภาษา เองก็ยังมีการจัดเตรียมลักษณะการควบคุมแบบลำดับคำสั่งไว้ให้ด้วย เมื่อผู้ออกแบบได้กำหนดหน้าที่และองค์ประกอบ ที่ทำงานพร้อมกันของระบบไว้เรียบร้อยแล้ว ผู้ออกแบบยังสามารถบรรยายหน้าที่การทำงานซึ่งเป็นรายละเอียดภายใน ของแต่ละองค์ประกอบได้ในลักษณะเดียวกับการเขียนโปรแกรมที่ประกอบด้วยโครงสร้างแบบ case, if - then - else และ loop ทั่วๆ ไปได้ การบรรยายแบบลำดับคำสั่งทำให้การออกแบบหน้าที่การทำงานของอุปกรณ์กระทำได้ สะดวกและง่ายขึ้น อย่างไรก็ตามโครงสร้างทั้งหมดของ VHDL ก็ยังคงเป็นการทำงานแบบพร้อมเพรียงกันเช่นเดิม

5. การกำหนดคุณสมบัติ

      นอกจากการกำหนดอินพุทและเอาท์พุทแล้ว เงื่อนไขอื่นๆ ก็มีผลต่อการปฏิบัติหน้าที่ของอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ด้วยเช่นกัน โดยสิ่งนี้รวมถึงสภาพแวดล้อมและลักษณะทางกายภาพของอุปกรณ์นั้นๆ ด้วย ซึ่งภาษาสำหรับการออกแบบที่ดีควร ให้ผู้ออกแบบกำหนดคุณสมบัติของอุปกรณ์ที่ใช้ได้ด้วย เช่น สามารถกำหนดขนาด ลักษณะทางกายภาพเวลา โหลด และเงื่อนไขทางสภาพแวดล้อมอื่นๆ ซึ่งความสามารถในการกำหนดคุณสมบัตินี้ก็เป็นส่วนหนึ่งที่มีอยู่ในภาษา VHDL ด้วยเช่นกัน

6. ชนิดของข้อมูล 

      VHDL สามารถกำหนดชนิดของข้อมูลไม่เพียงแต่ชนิด BIT และ BOOLEAN เท่านั้น แต่ยังสามารถกำหนดชนิด ของข้อมูลเป็นจำนวนเต็ม จำนวนจริง จุดทศนิยม และชนิดลำดับการนับ (Enumerate Type) หรือแม้แต่ชนิดของ ข้อมูลที่ผู้ออกแบบกำหนดขึ้นมาเองก็ได้

7. โปรแกรมย่อย 

      ความสามารถในการใช้ฟังก์ชันและโพรซีเจอร์ (Procedure) ก็เป็นข้อกำหนดอีกอย่างหนึ่งใน VHDL ซึ่งผู้ออกแบบ สามารถนำโปรแกรมย่อยมาใช้ในการเปลี่ยนแปลงชนิดของข้อมูล การกำหนดหน่วยของลอจิก การกำหนดตัวกระทำต่างๆ หรือหน้าที่อื่นๆ ตามที่ต้องการได้เช่นเดียวกับการเขียนโปรแกรมทั่วไป

8. การควบคุมเวลา 

      VHDL อนุญาตให้ผู้ออกแบบสามารถกำหนดเวลาในการส่งผ่านข้อมูลหรือสัญญาณได้ตามต้องการ การตรวจสอบ การออกแบบเกทหรือการหน่วงเวลาก็สามารถกระทำได้โดยการกำหนดช่วงเวลาที่แน่นอนหรือกำหนดให้มีการรอคอย เหตุการณ์ (Event) นอกจากนี้ก็ยังสามารถกำหนดรูปแบบของสัญญาณนาฬิกาได้อีกด้วย

9. การกำหนดแบบโครงสร้าง 

      การกำหนดโครงสร้างขององค์ประกอบต่างๆ สามารถกระทำได้ในทุกระดับของการออกแบบ โดยการกำหนดโครง สร้างขององค์ประกอบร่วมที่เกิดจากองค์ประกอบย่อยซึ่งแตกต่างกันหรือ เหมือนกันก็เป็นข้อกำหนดอย่างหนึ่งของ VHDL เช่นกัน

องค์ประกอบพื้นฐานของ VHDL 

      รูปแบบพื้นฐานที่ใช้ในการบรรยายถึงองค์ประกอบของ VHDL จะประกอบไปด้วยส่วนกำหนดการเชื่อมต่อ (Interface) และส่วนกำหนดลักษณะเชิงสถาปัตยกรรม (Architecture) ดังแสดงในรูปที่ 3 โดยในการบรรยายการเชื่อมต่อจะขึ้น ต้นด้วยคำว่า ENTITY แล้วตามด้วยชื่อขององค์ประกอบจากนั้นตามด้วยคำว่า IS และถัดมาจะเป็นการบรรยายถึงพอร์ต การติดต่อ อินพุท - เอาท์พุท ขององค์ประกอบ ส่วนลักษณะภายนอกอื่น ๆ เช่น เวลา อุณหภูมิก็สามารถรวมเข้าไปในส่วนนี้ ได้เช่นกัน ในส่วนของการกำหนดลักษณะเชิงสถาปัตยกรรมจะขึ้นต้นด้วยคำว่า ARCHITECTURE ซึ่งเป็นส่วนที่ใช้ บรรยายหน้าที่การทำงานขององค์ประกอบ โดยหน้าที่การทำงานนี้จะขึ้นอยู่กับสัญญาณอินพุท เอาท์พุทและพารามิเตอร์ อื่นๆ ที่ได้กำหนดไว้ในส่วนของการเชื่อมต่อดังรูปที่ 3 และสำหรับการบรรยายหน้าที่ขององค์ประกอบจะเริ่มต้นหลังจาก คำว่า BEGIN เป็นต้นไป

รูปที่ 3 การกำหนดการเชื่อมต่อและสถาปัตยกรรม

1. การกำหนดการเชื่อมต่อ

      การกำหนดการเชื่อมต่อเป็นระดับบนสุดของการออกแบบ โดยในระดับนี้ต้องกำหนดพอร์ตสำหรับการติดต่อกับองค์ประกอบ ภายนอกอื่นๆ ดังตัวอย่างในรูปที่ 4 ซึ่งเป็นบล็อคไดอะแกรม และการบรรยายการเชื่อมต่อขององค์ประกอบสำหรับตัวจ่าย สัญญาณนาฬิกา ในบรรทัดแรกของการบรรยายการเชื่อมต่อเป็นการกำหนดชื่อขององค์ประกอบซึ่งกำหนดเป็น clock_ component ตามด้วยคำว่า PORT และชื่อของพอร์ตอยู่ภายในวงเล็บ ส่วน IN และ OUT เป็นการกำหนด โหนดของสัญญาณให้เป็นอินพุทหรือเอาท์พุท และ BIT เป็นการแสดงชนิดของข้อมูล

รูปที่ 4 บล็อคไดอะแกรมและการบรรยายการเชื่อมต่อของ clock_ component

2. การกำหนดรูปแบบการบรรยาย

     หน้าที่การทำงานขององค์ประกอบจะถูกบรรยายภายในส่วนนี้ ซึ่งในการบรรยายสามารถกำหนดค่าของสัญญาณ เอาท์พุทในเทอมของอินพุทหรือในรูปขององค์ประกอบอื่นๆ หรือทั้งสองอย่างรวมกันก็ได้ ดังตัวอย่างการบรรยายของ clock_component ในรูปที่ 5 ซึ่งเป็นการบรรยายในเชิงพฤติกรรมโดยมี en เป็นอินพุทและ ck เป็นเอาท์พุท PROCESS เป็นคำที่ใช้ในการเริ่มต้นสำหรับการบรรยายในเชิงพฤติกรรม และภายในโปรเซสกำหนดให้ periodic เป็นตัวแปรที่มีคำเริ่มต้นเป็น "0" ถ้าสัญญาณ en มีค่าเป็น "1"' จะทำให้ตัวแปร periodic ถูกคอมพลีเมนท์ (complement) และส่งค่าให้กับ ck ซึ่งเป็นสัญญาณเอาท์พุท และสำหรับคำสั่ง WAIT จะเป็นการกำหนดให้สัญญาณมีคาบเวลาเท่ากับ 1 ไมโครวินาที

รูปที่ 5 การบรรยายเชิงพฤติกรรมของ clock _ component

3. หน่วยการออกแบบแพ็กเก็ต

     ข้อมูลต่างๆ ตลอดจนโปรแกรมย่อย ที่เป็นประโยชน์ต่อการเขียนรูปแบบการบรรยายระบบดิจิตอล สามารถเก็บไว้ใน ส่วนของแพ็กเก็ต ซึ่งหน่วยการออกแบบต่างๆ เช่น หน่วยการออกแบบ Entity หน่วยการออกแบบสถาปัตยกรรมหรือ หน่วยการออกแบบแพ็กเกจอื่นๆ สามารถเรียกข้อมูลเหล่านี้ไปใช้ได้ นอกจากนั้นสิ่งที่นิยมทำกันมากคือการนำรูปแบบ มาตรฐานต่างๆ เช่น อุปกรณ์มาตรฐาน (เช่น ไอซีตระกูล 74XX เป็นต้น) มาเก็บไว้ในรูปของแพ็กเกจ ที่ทุกคนสามารถ เข้าถึงได้ ตามปกติแล้วแพ็กเกจจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ การประกาศแพ็กเกจ ( Package declaration)และ ส่วนของบอดี้แพ็กเกจ (Package body ) เนื่องจาก แพ็กเกจถูกสร้างขึ้นเป็นส่วนแยกต่างหากออกจากรูปแบบที่ กำลังเขียนอยู่ ฉะนั้นการที่นำแพ็กเกจไปใช้นั้นจะต้องมีการเชื่อมโยงหรืออ้างอิงเสียก่อน ซึ่งในภาษา VHDL สามารถ กระทำได้ด้วยชุดคำสั่ง USE

   3.1 PACKAGE DECLARATION

      ส่วนที่มีความสำคัญที่สุดของแพ็กเกจ (ถ้ามองในแง่ของการนำไปใช้จากภายนอก) ได้แก่ส่วนการประกาศแพ็กเกจ เนื่องจากเป็นส่วนที่ใช้กำหนดชื่อของสิ่งที่ประกาศอยู่ภายในแพ็กเกจ สำหรับนำไปใช้ภายนอกตัวของแพ็กเกจเอง ถ้ามี การประกาศสิ่งใดๆ ในส่วนของส่วนบอดี้แพ็กเกจ แต่ไม่ถูกประกาศในส่วนการประกาศแพ็กเกจจะทำให้ค่าและพฤติ กรรมไม่สามารถนำไปใช้งานในส่วนนอกได้ซึ่งเปรียบเทียบได้กับสิ่งที่ประกาศไว้ในส่วนของการประกาศ Entity คือ จุดเชื่อมต่อ หรือ พอร์ต ที่มีหน้าที่ติดต่อกับโลกภายนอก ฉะนั้นโดยทั่วไปแล้วแพ็กเกจสามารถสร้างขึ้นได้โดยไม่จำเป็น ต้องมีส่วนบอดี้ และยังสามารถนำไปใช้งานจากรูปแบบภายนอกได้เช่น ใช้สำหรับประกาศ ชนิด (Type) หรือสัญญาณ เช่นเดียวกับ ส่วนบอดี้แพ็กเกจที่ไม่จำเป็นต้องมี ส่วนของการประกาศแพ็กเกจ แต่แพ็กเกจนั้นจะไม่สามารถนำไปใช้จาก รูปแบบอื่นได้

รูปที่ 6 โครงสร้างทั่วไปของส่วนการประกาศแพ็กเกจ

     3.2 PACKAGE BODY

       โครงสร้างซึ่งประกอบด้วยลำดับคำสั่งที่ใช้บรรยายฟังก์ชันการทำงานของโปรแกรมย่อยทั้งหลาย ซึ่งชื่อของโปรแกรมย่อยนั้นๆ ได้ถูกประกาศไปแล้วในส่วนของการประกาศแพ็กเกจ จะถูกเก็บไว้ในส่วนของบอดี้แพ็กเกจ ทั้งนี้รวมถึง การกำหนดค่าคงที่ต่างๆ อันได้แก่ค่าคงที่ที่ถูกประกาศชื่อไว้ก่อนในส่วนของการประกาศแพ็กเกจ และถูกกำหนดค่าใน ส่วนของบอดี้แพ็กเกจ ฉะนั้นในส่วนของบอดี้แพ็กเกจจึงไม่จำเป็นต้องมี ถ้าในส่วนของการประกาศแพ็กเกจไม่มีการ ประกาศชื่อที่เป็นโปรแกรมย่อย หรือค่าคงที่ การเขียนบอดี้แพ็กเกจนั้นจะเป็นไปตามกฎเกณฑ์ดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 โครงสร้างของบอดี้แพ็กเกจ

4. หน่วยการออกแบบ Configuration

      ดังที่ทราบกันแล้วว่าระบบดิจิตอลรูปแบบหนึ่งไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม จะสามารถมีหน่วยการออกแบบ Entity ได้ เพียงหนึ่งเดียวเท่านั้น ซึ่งในหน่วยการออกแบบ Entity หนึ่งหน่วยนี้อาจจะมีสถาปัตยกรรมที่เป็นหน่วยรองได้หลาย หน่วย ดังนั้นจะต้องมีหน่วยการออกแบบ Configuration มาเพื่อกำหนดการใช้ Configuration ของการประกอบ Entity กับหน่วยการออกแบบสถาปัตยกรรมหน่วยใดๆ เข้าด้วยกัน

รูปที่ 8 โครงสร้างโดยทั่วไปของหน่วยการออกแบบโครงแบบ

5. โปรแกรมย่อย 

      การใช้ฟังก์ชันและโพรซีเจอร์ใน VHDL เปรียบได้กับการใช้โปรแกรมย่อยในการเขียนโปรแกรมภาษาชั้นสูงทั่วๆ ไปค่าที่ถูกส่งกลับหรือถูกเปลี่ยนแปลงโดยโปรแกรมย่อยอาจจะมีหรือไม่มีผลต่อฮาร์ดแวร์โดยตรงก็ได้ เช่นถ้าใช้ฟังก์ชัน แทนการกระทำในสมการบูลีนก็จะมีผลต่อวงจรลอจิกจริงๆในขณะที่ถ้าใช้โปรแกรมย่อยในการเปลี่ยนชนิดของข้อมูล หรือในการคำนวณค่าการหน่วงเวลาแล้วก็จะไม่มีผลต่อโครงสร้างของฮาร์ดแวร์ รูปที่ 9 แสดงการใช้โพรซีเจอร์ เพื่อเปลี่ยนข้อมูลชนิด 8 บิตเป็นค่าจำนวนเต็ม และรูปที่ 10 แสดงการใช้ฟังก์ชันโดยกำหนดให้ X เป็นตัวแปรชนิด บิตแทนการกระทำในสมการบูลีน

รูปที่ 9 การใช้โพรซีเจอร์

รูปที่ 10 การใช้ฟังก์ชัน

6. โอเปอร์เรเตอร์ 

      การบรรยายเชิงพฤติกรรมในภาษา VHDL มีตัวดำเนินการหรือโอเปอร์เรเตอร์ทางลอจิกและคณิตศาสตร์เช่นเดียว กับภาษาซอฟต์แวร์ทั่วไปดังรูปที่ 11

รูปที่ 11 ตัวดำเนินการใน VHDL

7. เวลาและความพร้อมเพรียง 

       ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์อุปกรณ์ทุกๆ ตัวจะอยู่ในสภาพเตรียมพร้อมเสมอ (Always Active) และจะมีเรื่องของเวลา เข้ามาเกี่ยวข้องในทุกๆเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเสมอ VHDL เป็นภาษาที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้สามารถบรรยายรูป แบบและการพ้องกันของเวลาสำหรับการทำงานของอุปกรณ์ได้อย่างถูกต้อง การบรรยายการทำงานที่อยู่ภายในส่วน ของการบรรยายสถาปัตยกรรม จะมีการทำงานที่พร้อมเพรียงกันเสมอ หรือแม้แต่โปรเซสซึ่งมีการทำงานภายในเป็น แบบลำดับคำสั่งก็ตาม ซึ่งหากมีหลายๆ โปรเซสอยู่ภายในโครงสร้างเดียวกัน ทุกๆ โปรเซสก็จะทำงานไปพร้อมๆ กัน ด้วย

8. สัญญาณและตัวแปร 

       สัญญาณมีลักษณะเป็นเสมือนตัวกลางฮาร์ดแวร์ที่ใช้ในการส่งผ่านข้อมูลและมีเรื่องของเวลาเข้ามาเกี่ยวข้องด้วยการ กำหนดค่าให้กับสัญญาณจะใช้สัญลักษณ์ <= ในการส่งค่าและสามารถใช้คำสั่ง AFTER เพื่อกำหนดช่วงเวลาในการ ส่งผ่านค่าของสัญญาณ เช่น w <= a AFTER 12 NS หมายถึงการกำหนดค่าสัญญาณ a ให้กับ w หลังจากเวลา ผ่านไป 12 นาโนวินาที ในทางตรงข้ามตัวแปรมีลักษณะเป็นเสมือนตัวกลางที่ใช้ในการส่งผ่านข้อมูลและไม่มีเรื่องของ เวลาเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ซึ่งตัวแปรจะถูกใช้ในส่วนที่มีการทำงานเป็นแบบลำดับคำสั่งเช่นใน ฟังก์ชัน โพรซีเจอร์ และ โปรเซส สำหรับการกำหนดค่าให้กับตัวแปรจะใช้สัญลักษณ์ :=

การบรรยายเชิงพฤติกรรม 

       การบรรยายลักษณะการทำงานของอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ในเชิงพฤติกรรม เป็นการบรรยายลักษณะการเปลี่ยนแปลงของ ข้อมูลในรูปแบบของอัลกอริธึมสำหรับการคำนวณผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นซึ่งสืบเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงสภาวะของข้อมูล ที่เข้ามาโดยไม่คำนึงถึงลักษณะโครงสร้างหรือความสัมพันธ์ของอุปกรณ์ที่อยู่ภายในว่าจะเป็นอย่างไร ในหัวข้อนี้จะ แสดงถึงการบรรยายเชิงพฤติกรรม แทนการใช้โมดูลฮาร์ดแวร์รวมถึงข้อกำหนดต่างๆ ที่ควรรู้

โปรเซส 

       โปรเซสเป็นรูปแบบพื้นฐานอย่างหนึ่งที่ใช้ในการกำหนดให้กับสัญญาณ โปรเซสจะอยู่ในสถานะที่เตรียมพร้อมอยู่เสมอ และจะปฏิบัติคำสั่งพร้อมๆ กันกับโปรเซสอื่นๆ ที่อยู่ในสถาปัตตกรรมบรรยายเดียวกัน โดยโปรเซสจะปฏิบัติงานตามคำ สั่งทันทีที่มีเหตุการณ์เกิดขึ้นกับญญาณที่อยู่ทางด้านขวามือของสัญลักษณ์กำหนดค่าให้กับสัญญาณ (<=) การบรรยาย โปรเซสจะเริ่มต้นด้วยคำสั่ง PROCESS และจบด้วยคำสั่ง END PROCESS ในรูปที่ 12 เป็นการแสดงส่วน ประกอบของการบรรยายแบบโปรเซส ซึ่งประกอบด้วยส่วนของการประกาศตัวแปรที่ต้องใช้และส่วนของการปฏิบัติ คำสั่งเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ

รูปที่ 12 รูปแบบของการบรรยายแบบโปรเซส

การกำหนดตัวดำเนินการภายในโปรเซส 

     ตัวดำเนินการภายในโปรเซสมี 3 ชนิดคือ ตัวแปร (Variable) ไฟล์ (File) และตัวคงที่ (Constant) ซึ่งตัวดำเนิน การทั้งสามชนิดนี้หากมีการประกาศไว้ในโปรเซสใดก็จะใช้ได้เฉพาะภายในโปรเซสนั้นเท่านั้นสำหรับการติดต่อกับภาย นอกหรือระหว่างโปรเซสสามารถทำได้โดยใช้สัญญาณ (Signal) หรือตัวคงที่ที่ได้ประกาศไว้ในส่วนของ ARCHITECTURE ในรูปที่ 13 แสดงตัวอย่างการประกาศตัวกระทำภายในโปรเซส ซึ่งจะอยู่ระหว่างคำสั่ง PROCESS และ BEGIN และค่าเริ่มต้นที่ถูกกำหนดให้กับตัวดำเนินการภายในโปรเซสจะถูกนำมาใช้ในตอนเริ่มต้น ของการปฎิบัติเพียงครั้งเดียวเท่านั้น ต่างกับค่าเริ่มต้นที่อยู่ภายในโปรแกรมย่อยจะถูกนำมาใช้ทุกครั้งที่มีการเรียกใช้ โปรแกรมย่อยนั้น ๆ

รูปที่ 13 ตัวอย่างการประกาศตัวดำเนินการภายในโปรเซส

การกำหนดการกระทำภายในโปรเซส 

     การกระทำใดๆ ภายในโปรเซสจะเป็นการปฎิบัติแบบลำดับ (Sequential) เสมอ ซึ่งภายในโปรเซสสามารถใช้ประโยค เงื่อนไขหรือการทำซ้ำได้เช่น IF-THEN - ELSE,CASE - WHEN, FOR LOOP และ WHILE LOOP ดังตัวอย่างในรูปที่ 14 และ 15

รูปที่ 14 เงื่อนไขการกระทำในโปรเซส

รูปที่ 15 แสดงการกระทำในโปรเซส

การกระตุ้นและยับยั้งการกระทำของโปรเซส

     การกระทำภายในโปรเซสจะอยู่ในสภาพเตรียมพร้อม และมีการปฏิบัติงานอยู่ตลอดเวลาที่มีการเปลี่ยนแปลงของเหตุการณ์ เกิดขึ้น อย่างไรก็ดีเราสามารถกระตุ้นหรือยับยั้งการกระทำภายในโปรเซสได้โดยการกำหนดรายการของสัญญาณที่ต้อง การให้โปรเซสปฎิบัติงานเมื่อมีเหตุการณ์เกิดขึ้นกับสัญญาณที่กำหนดไว้เท่านั้น ส่วนเหตุการณ์ใดๆ ที่เกิดขึ้นกับสัญญาณ ที่ไม่ได้กำหนดไว้ในรายการก็จะไม่ส่งผลให้มีการกระทำภายในโปรเซส ซึ่งรายการของสัญญาณนี้เรียกว่า Sensitivity List และจะกำหนดไว้ภายในวงเล็บหลังคำสั่ง PROCESS รูปที่ 16 (a) แสดงตัวอย่างโมเดล และรูปที่ 16 (b) เป็นตัวอย่างการบรรยายการเชื่อมต่อของ D-Flip Flop ส่วนรูปที่ 17 แสดงถึงการบรรยายเชิงพฤติกรรมของ D-Flip Flop โดยในรูปที่ 17 (a) เป็นการใช้ตัวกระทำภายนอกโปรเซส และรูปที่ 17 (b) เป็นการใช้ตัวกระทำภายในโปรเซส โดยมีรายการของสัญญาณ (rst, set, clk) เป็นตัวกระตุ้นการปฏิบัติงานภายในโปรเซส

รูปที่ 16  (a) ตัวอย่างโมเดล D-Flip Flop        (b) การบรรยายการเชื่อมต่อของ D-Flip Flop

รูปที่ 17 การบรรยายเชิงพฤติกรรมของ D-FlipFlop

(a) การใช้ตัวกระทำภายนอกโปรเซส

(b) การใช้ตัวกระทำภายในโปรเซส

การออกแบบจากบนลงล่าง

       ในการพัฒนาวงจรรวมดิจิตอลขนาดใหญ่ที่มีความซับซ้อน วิศวกรหรือผู้ออกแบบมักจะมองการออกแบบให้อยู่ในรูปของ บล็อกไดอะแกรมก่อนที่ทำวิเคราะห์ให้ลึกถึงรายละเอียดต่อไป ซึ่งภาษา VHDL นั้นอนุญาตให้อธิบายและวิเคราะห์การ ทำงานของแต่ละบล็อก รวมถึงการปรับปรุงการทำงานจากผลที่วิเคราะห์เพื่อให้ได้การทำงานตามต้องการ นอกจากนี้ยัง สามารถเพิ่มเติมในรายละเอียดในแต่ละขั้นตอนได้ ซึ่งหลักการนี้สอดคล้องกับหลักการออกแบบจากบนลงล่าง (Top - Down Design) นั่นเอง ถ้าทดลองเปรียบเทียบกับการออกแบบจากล่างขึ้นบน (Bottom - Up Design) จะเห็นได้ว่า การออกแบบจากล่างขึ้นบนจะใช้เวลาการออกแบบมากกว่า 90% เนื่องจากเป็นการวาดวงจรด้วยอุปกรณ์ต่างๆ (Schematic capture ) ที่ประกอบกันเข้าเป็นวงจรที่ต้องการออกแบบ ก่อนแล้วจึงทำการจำลองการทำงาน และตรวจ สอบความถูกต้อง ดังนั้นการใช้ภาษา VHDL กับหลักการออกแบบจากบนลงล่างจึงเป็นทางออกให้กับวิศวกรให้สามารถ ออกแบบและพัฒนาวงจรที่มีความซับซ้อนได้มากขึ้น ทั้งยังช่วยลดเวลาและค่าใช้จ่ายในการออกแบบด้วย

รูปที่  18 ขั้นตอนการออกแบบจากบนลงล่าง

      จากรูปที่ 18 แสดงถึงขั้นตอนของการออกแบบจากบนลงล่าง ทั้งนี้ในทางปฏิบัติอาจมีข้อแตกต่างไปจากนี้บ้าง เล็กน้อยเนื่องจากขั้นตอนของการผลิต (Implementation) สามารถกระทำได้หลายเทคโนโลยี สำหรับรายละเอียดของขั้นตอน การออกแบบจากบนลงล่างในแต่ละขั้นตอนมีดังนี้

1.สร้างข้อกำหนดของความต้องการ และวิเคราะห์ระบบ เพื่อหาแนวความคิดและหลักการ (Idea and Concept) ใน การแก้ปัญหา

2.เขียนรูปแบบของระบบที่ต้องการออกแบบโดยใช้ภาษา VHDL หรือ ภาษา HDL อื่น ๆ สำหรับบรรยายพฤติกรรมการ ทำงาน พร้อมทั้งจำลองการทำงาน เพื่อเปรียบเทียบและตรวจสอบความถูกต้องกับข้อกำหนด

3.หลังจากที่ได้หลักการขั้นต้นพร้อมแนวความคิดที่ผ่านการตรวจสอบแล้วหลักการนี้จะถูกเพิ่มเติมในรายละเอียดลงมา เป็นลำดับขั้นที่สอง จนกระทั้งอยู่ในระดับที่จะนำไปผลิตวงจริง หรือสังเคราะห์ในขั้นตอนนี้เองเทคโนโลยีที่จะมารองรับ วงจรออกแบบจะถูกกำหนดขึ้น และระบบช่วยการออกแบบจะสังเคราะห์วงจรที่ได้จากรูปแบบที่เขียนขึ้นให้อยู่ในรูปของ วงจรที่ประกอบด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือวงจรในระดับเกท และการเชื่อมต่อระหว่างกันของอุปกรณ์เหล่านั้นหรือ ไม่ก็อยู่ในรูปของ Netlist ที่สามารถนำไปผลิตในอุปกรณ์อื่นได้

4.หลังจากการสังเคราะห์วงจรให้อยู่ในระดับเกทหรือ Netlist แล้ว ข้อมูลนี้จะถูกใช้สำหรับจำลองการทำงานในเรื่อง ความถูกต้องของฟังก์ชัน พร้อมกับนำข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับเวลาเข้ามาประกอบการพิจารณาด้วย ซึ่งตามปกติแล้วอุปกรณ์ ทางอิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นจะมีเวลาหน่วงของการแพร่กระจาย (Propagation Delay Time) เสมอ ถึงแม้ว่าจะเป็น เวลาที่น้อยมากในระดับนาโนวินาทีก็ตาม แต่ถ้าภายในวงจรหนึ่งประกอบด้วยเกทของฟังก์ชันต่างๆ จำนวน 10,000 เกท ขึ้นไป เวลาดังกล่าวนี้จะสะสมกันมากขึ้น จนอาจทำให้การทำงานของวงจรรวมทั้งหมดผิดพลาดไป หรือไม่สามารถทำ งานในย่านความถี่สัญญาณนาฬิกาที่สูงได้

5.ผลิตเป็นวงจรจริง (Technology and device mapping) โดยนำข้อมูลที่ได้จากการสังเคราะห์มาผลิต ซึ่งอาจ จะอยู่ในรูปของแผงวงจรไฟฟ้า ที่ประกอบด้วยอุปกรณ์หลายๆ ชิ้นหรืออยู่ในรูปของวงจรรวม ASIC 

6.ทำการตรวจสอบการทำงานและตัวแปรทางด้านเวลาทั้งหมด เพื่อความถูกต้องของวงจรเป็นครั้งสุดท้ายก่อนนำไปรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ ให้เป็นระบบดิจิตอล เนื่องจากในขั้นตอนนี้ วงจรที่ออกแบบ จะประกอบด้วยจุดต่อทางอินพุทและเอาท์พุท ซึ่งเป็นจุดต่อสำหรับการรับและส่งสัญญาณกับภายนอก

7.นำวงจรที่ออกแบบไว้ประกอบเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ ให้เป็นระบบที่สมบูรณ์ แล้วทำการทดสอบการทำงานทั้งระบบร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ อีกครั้งเพื่อควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์

Reference  :   http://www.ee.psu.ac.th/210-292/vhdl/vhdl.htm