Contents
Giới thiệu VHDL
Lập trình VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) là ngôn ngữ mô phỏng và tổng hợp phần cứng. VHDL làm việc với các mạch số, được ứng dụng trong vi mạch lập trình được, mạch phần mềm có thể lập trình lại (PLD), mạch phần mềm phức tạp (CPLD), mạch phần mềm có thể lập trình lại từng bảng (FPGA), và mạch phần mềm đặc thù ứng dụng (ASIC).
VHDL hỗ trợ các công cụ phát triển như Xilinx ISE và Altera Quartus và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi mạch.
Cấu Trúc Lập Trình
Cấu trúc lập trình VHDL gồm ba phần chính: Thư viện (Library), Thực thể (Entity), và Kiến trúc (Architecture).
Thư viện (Library)
Thư viện chứa các phép toán đã được xây dựng sẵn trên một kiểu dữ liệu nào đó. Có một số thư viện chuẩn như IEEE, được sử dụng chung với tất cả các công cụ lập trình và công khai mã nguồn của thư viện này.
Thực thể (Entity)
Thực thể thể hiện giao diện bên ngoài của mạch, bao gồm các cổng vào và ra.
Kiến trúc (Architecture)
Kiến trúc thể hiện cấu trúc, chức năng, và hoạt động của mạch bên trong. Nó sẽ liệt kê các thành phần, tạo ra đường kết nối giữa các thành phần, và mô phỏng hoạt động của mạch.
Các Kiểu Dữ Liệu
VHDL hỗ trợ các kiểu dữ liệu như bit, bit_vector, integer, real, time và kiểu dữ liệu tự định nghĩa.
Bit và Bit_Vector
Kiểu dữ liệu bit và bit_vector thường được sử dụng để định nghĩa biến và tín hiệu. Bit có thể nhận giá trị ‘0’, ‘1’, ‘U’ (Uninitialized), ‘X’ (Forcing Unknown), ‘Z’ (High Impedance), và boolean true, false. Bit_vector là một mảng các bit.
Integer và Real
Kiểu dữ liệu integer và real được sử dụng trong các phép toán số học và tính toán. Integer có giới hạn từ -2,147,483,647 đến 2,147,483,647, trong khi real có độ chính xác 7 chữ số phần thập phân.
Kiểu Dữ Liệu Tự Định Nghĩa
VHDL cho phép người lập trình tự định nghĩa kiểu dữ liệu, bao gồm kiểu dữ liệu liệt kê, mảng một chiều và mảng nhiều chiều. Kiểu dữ liệu này giúp mô phỏng các trạng thái và lưu giữ giá trị trung gian trong mạch.
Các Phép Toán
VHDL hỗ trợ các phép toán logic, phép toán so sánh, phép toán số học, và phép toán dịch bit (shift). Các phép toán này được áp dụng cho các bit, bit_vector, và các kiểu dữ liệu số học như integer, real.
Các Mệnh Đề Tuần Tự
VHDL cung cấp các mệnh đề tuần tự để điều khiển luồng thực hiện của chương trình.
IF và CASE
Mệnh đề IF và CASE được sử dụng để thực hiện các phép so sánh và nhánh điều kiện. IF thực hiện lệnh dựa trên một biểu thức logic, trong khi CASE thực hiện lệnh dựa trên một biến hoặc tín hiệu.
LOOP
Mệnh đề LOOP dùng để lặp một đoạn mã lệnh nhiều lần. Có hai loại vòng lặp trong VHDL là for loop và while loop.
WAIT
Mệnh đề WAIT dùng để tạm dừng chương trình trong một khoảng thời gian nhất định hoặc cho đến khi một điều kiện nhất định được thỏa mãn. WAIT có thể được sử dụng để đồng bộ tín hiệu hoặc tạo độ trễ.
Mã hóa DES và AES với VHDL
VHDL cũng được sử dụng để mã hóa dữ liệu với các thuật toán DES và AES. DES là thuật toán mã hóa khối làm việc với khối dữ liệu 64bit, trong khi AES là thuật toán mã hóa khối làm việc với khối dữ liệu 128bit.
Kết Luận
VHDL là một ngôn ngữ mạnh mẽ để mô hình và tổng hợp phần cứng. Nắm vững VHDL giúp lập trình viên hiểu rõ cấu trúc và hoạt động của vi mạch và thực hiện các phép toán và mệnh đề tuần tự phù hợp. Việc áp dụng VHDL trong mã hóa DES và AES cũng là một ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực bảo mật thông tin.