VHDL: qué es y tutorial

Escrito por Israel

Hoy vamos a meternos de lleno en el apasionante mundo de VHDL, con una introducción y un tutorial.

Seguro que alguna vez te has preguntado cómo se diseñan los microprocesadores que se utilizan en los ordenadores.

Lo primero es explicar qué es el microprocesador, por sí todavía no lo sabes. Un ordenador de compone de varias partes, siendo las principales:

  • Microprocesador. Es el encargado de ejecutar las instrucciones que componen un programa. Un programa es una secuencia de instrucciones sencillas como sumar, restar, mover datos de un lugar a otro, saltar a otra parte del programa. El microprocesador contiene toda la electrónica necesaria para dar soporte a la ejecución de estas instrucciones.
  • Memoria RAM. La memoria RAM, normalmente del tipo DDR en los computadores modernos, se encarga de almacenar el programa y los datos con los que va a trabajar el microprocesador. Inicialmente esta vacía y cada vez que apagas el ordenador se borra, pero a cambio es muy rápida, para que el procesador nunca pare ce ejecutar instrucciones y siempre tenga datos con los que trabajar.
  • Almacenamiento externo. Como por ejemplo los discos duros. Un disco duro no se borra cuando se apaga el ordenador. En él están los datos y los programas que son cargados en la memoria RAM cuando van a ser utilizados. La carga de programas en la memoria es una tarea del sistema operativo (Windows, Linux, Mac OSX, o en que uses).

Cómo se diseña un microprocesador

Un microprocesador es un sistema compuesto por dos partes, el camino de datos o Datapath y la unidad de control. El camino de datos está compuesto por todos los módulos necesarios para poder ejecutar las instrucciones, por ejemplo, sumadores, multiplicadores, memoria intermedia llamada registros.

La unidad de control toma una instrucción y decide qué partes del camino de datos y en que secuencia deben activarse para poder ejecutar dicha instrucción.

Ahora que ya tenemos una noción básica de cómo funciona el procesador podemos centrarnos en cómo se construyen y que herramientas se utilizan para ello.

Las herramientas de descripción de hardware, VHDL y Verilog

A la hora de describir el funcionamiento de un microprocesador es necesario utilizar herramientas profesionales de diseño electrónico.

El diseño de un sistema tan complejo se realiza a un nivel denominado RTL (Nivel de Transferencia de Registros), en el cual se describen los componentes individuales del sistema, sus interconexiones y como los datos viajan entre cada uno de esos componentes. Para ello se utilizan unos lenguajes, similares a los lenguajes de programación, denominados HDL (Hardware Description Language). Estos lenguajes son en muchos sentidos similares a programar en Java o C, pero en ellos no se programa, sino que se utilizan su sintaxis para describir el funcionamiento de los circuitos que queremos diseñar.

A partir de esas descripciones existen herramientas llamadas sintetizadores, que generan un fichero que puede ser enviado al fabricante del chip para que cree el dispositivo físico.

Si os queréis profundizar más en el tema os recomiendo que visitéis este tutorial sobre vhdl y si queréis ver el código Verilog de un microprocesador completo podéis encontrar varios en Opencores, una página donde la gente sube diseños totalmente funcionales.

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