ภาษาบรรยายฮาร์ดแวร์ (HDL)

ในทางวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ ภาษาบรรยายฮาร์ดแวร์ (Hardware Description Language หรือ HDL) คือภาษาคอมพิวเตอร์ชนิดพิเศษที่ใช้สำหรับบรรยายโครงสร้างและพฤติกรรมของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อใช้ในการออกแบบวงจรรวมเฉพาะทาง (Application-Specific Integrated Circuits หรือ ASICs) และการเขียนโปรแกรมสำหรับอาเรย์ประตูตรรกะที่โปรแกรมได้ (Field-Programmable Gate Arrays หรือ FPGAs)

บทบาทและความสำคัญของ HDL

HDL ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถสร้างคำบรรยายวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างแม่นยำและเป็นทางการ ซึ่งส่งผลให้สามารถวิเคราะห์และจำลองการทำงาน (Simulation) ของวงจรได้โดยอัตโนมัติ นอกจากนี้ HDL ยังรองรับกระบวนการ การสังเคราะห์ (Synthesis) ซึ่งเป็นการแปลงคำบรรยายในรูปแบบภาษา HDL ให้กลายเป็นเน็ตลิสต์ (Netlist) หรือข้อกำหนดของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทางกายภาพและการเชื่อมต่อ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการวางเลย์เอาต์และกำหนดเส้นทางเพื่อสร้างหน้ากาก (Masks) สำหรับการผลิตวงจรรวมต่อไป

HDL เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์อัตโนมัติ (Electronic Design Automation หรือ EDA) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบวงจรที่มีความซับซ้อนสูง เช่น ไมโครโพรเซสเซอร์ และอุปกรณ์ลอจิกที่โปรแกรมได้

ความแตกต่างระหว่าง HDL และภาษาโปรแกรมทั่วไป

แม้ว่า HDL จะมีลักษณะภายนอกคล้ายกับภาษาโปรแกรม เช่น C หรือ ALGOL โดยประกอบด้วยนิพจน์ คำสั่ง และโครงสร้างควบคุม แต่มีความแตกต่างที่สำคัญในเชิงแนวคิดดังนี้:

• แนวคิดเรื่องเวลา (Notion of Time): HDL มีการระบุเรื่องเวลาอย่างชัดเจน ซึ่งเป็นคุณลักษณะพื้นฐานของฮาร์ดแวร์ ในขณะที่ภาษาโปรแกรมทั่วไปมักไม่มีความสามารถในการระบุเวลาในระดับนี้
• การทำงานแบบขนาน (Concurrency): ไวยากรณ์และอรรถศาสตร์ของ HDL ถูกออกแบบมาเพื่อแสดงการทำงานแบบขนาน ซึ่งสะท้อนถึงการที่สัญญาณไฟฟ้าในวงจรฮาร์ดแวร์ทำงานพร้อมกันในทุกส่วน ไม่เหมือนกับภาษาซอฟต์แวร์ที่ทำงานตามลำดับคำสั่ง (Control-flow)
• จุดประสงค์การใช้งาน: HDL ถูกจัดเป็นภาษาสำหรับการระบุข้อกำหนด (Specification Language) หรือภาษาสำหรับการสร้างแบบจำลอง (Modeling Language) มากกว่าจะเป็นภาษาโปรแกรมเพื่อสั่งการซอฟต์แวร์

การเปรียบเทียบกับภาษาควบคุมการไหล (Control-flow Languages)

การใช้ภาษาโปรแกรมทั่วไป เช่น C++ เพื่อแทนค่าการทำงานของฮาร์ดแวร์นั้นทำได้ยากและต้องใช้ไลบรารีเสริมจำนวนมากเพื่อให้ทำงานได้ อย่างไรก็ตาม ในปี 2002 ได้มีการเปิดตัว SystemVerilog ซึ่งเป็น HDL หลักตัวแรกที่นำแนวคิดการเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุ (Object-oriented Programming) และการจัดการหน่วยความจำอัตโนมัติ (Garbage Collection) มาใช้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจสอบความถูกต้องของฮาร์ดแวร์ (Hardware Verification)

ประเภทของการบรรยายใน HDL

ในภาษา HDL หลัก เช่น VHDL และ Verilog ผู้ออกแบบสามารถเลือกใช้การบรรยายได้ 3 รูปแบบหลัก:

1. การบรรยายแบบโครงสร้าง (Structural Description): การระบุการเชื่อมต่อระหว่างบล็อกหรือส่วนประกอบต่างๆ ของวงจร (คล้ายกับเน็ตลิสต์)
2. การบรรยายแบบพฤติกรรม (Behavioral Description): การบรรยายว่าวงจรควรทำงานอย่างไร โดยไม่ระบุโครงสร้างทางกายภาพ
3. การบรรยายแบบการไหลของข้อมูล (Dataflow Description): การบรรยายการเคลื่อนที่ของข้อมูลผ่านลอจิกเกตและสมการบูลีน

สำหรับการออกแบบในระดับ Register-Transfer Level (RTL) เครื่องมือสังเคราะห์ (Synthesizer) จะเป็นผู้ตัดสินใจเลือกสถาปัตยกรรมและเลย์เอาต์ของลอจิกเกตเพื่อให้ได้ฟังก์ชันการทำงานตามที่ระบุไว้

ประวัติความเป็นมา

ภาษาบรรยายฮาร์ดแวร์เริ่มปรากฏขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 โดยมีจุดเริ่มต้นจากการพยายามลดความซับซ้อนในการออกแบบวงจรดิจิทัลที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามกฎของมัวร์ (Moore's Law) ทำให้ผู้ออกแบบต้องการวิธีการบรรยายลอจิกในระดับสูงโดยไม่ต้องยึดติดกับเทคโนโลยีทางกายภาพเฉพาะอย่าง เช่น TTL หรือ CMOS

หนึ่งในภาษาที่มีอิทธิพลในช่วงแรกคือภาษาที่ถูกนำเสนอในปี 1971 โดย C. Gordon Bell และ Allen Newell ซึ่งนำเสนอแนวคิด Register Transfer Level (RTL) และถูกนำไปใช้ในภาษา ISP เพื่อบรรยายพฤติกรรมของเครื่อง PDP-8 ของบริษัท Digital Equipment Corporation (DEC) แม้ว่าผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องกับ RTL ของ DEC จะไม่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ในระยะยาว แต่แนวคิดนี้ได้กลายเป็นรากฐานสำคัญของการออกแบบ VLSI (Very-Large-Scale Integration) ในเวลาต่อมา