Hardware-Software-Co-Design - Cheatsheet

Grundlagen und Historie von VHDL

Definition:

Grundlagen und Historie von VHDL - Einführung in die Hardwarebeschreibungssprache (HDL), die zur Modellierung und Simulation digitaler Systeme verwendet wird.

Details:

• VHDL: VHSIC Hardware Description Language
• Entwicklung in den 1980er Jahren im Rahmen des VHSIC-Programms (Very High-Speed Integrated Circuits)
• Standardisierung durch IEEE im Jahr 1987 (IEEE Standard 1076-1987)
• Nutzen: Modellierung, Simulation und Synthese digitaler Schaltungen
• Unterstützt parallele und serielle Verarbeitung
• Wichtige Konzepte: Entitäten, Architekturen, Signale und Prozesse
• Flexible und mächtige Sprache für das Design komplexer digitaler Systeme
• Verwendet bei FPGAs, ASICs und anderem digitalen Design
• Syntax ähnlich zu Ada und Pascal

Datentypen und Operationen in VHDL

Definition:

Datentypen und Operationen in VHDL sind fundamental für die Hardwarebeschreibung und -simulation.

Details:

• Typen in VHDL: std_logic, signed, unsigned, integer, boolean.
• Grundoperationen: Logische (AND, OR, NOT), Arithmetische (+, -, *, /).
• Vergleichsoperatoren: =, /=, <, >, <=, >=.
• Für Arrays und bitweise Operationen: std_logic_vector, sll (shift left logical), rol (rotate left).
• Beispiele:
• Signaldeklaration: signal a : std_logic;
• Arithmetische Operation: signal result : integer := a + b;
• Logische Operation: signal res : std_logic := a AND b;
• Vergleich: if a = b then ...

Unterschiede zwischen VHDL, Verilog und SystemVerilog

Definition:

Vergleich der drei Hardwarebeschreibungssprachen VHDL, Verilog und SystemVerilog.

Details:

• VHDL: Ada-basierte Sprache, stark typisiert, ideal für FPGA-Design.
• Verilog: C-ähnliche Syntax, weniger typisiert, weit verbreitet in der Industrie.
• SystemVerilog: Erweiterung von Verilog, unterstützt Objektorientierung und Verifikationsmethoden.
• Typisierung: VHDL (stark), Verilog (schwach), SystemVerilog (mittel).
• Abstraktionsniveau: SystemVerilog am höchsten, unterstützt High-Level-Verifikation.
• Anwendungen: VHDL (FPGA), Verilog (ASIC), SystemVerilog (Verifikation, Design).

Verifikation und Validierung im Co-Design

Definition:

Verifikation: Sicherstellen, dass das System korrekt entworfen wurde. Validierung: Sicherstellen, dass das entworfene System die Anforderungen erfüllt.

Details:

• Verifikation prüft die Übereinstimmung mit Spezifikationen.
• Validierung prüft die Erfüllung der Nutzeranforderungen.
• Verifikationsmethoden: Simulation, formale Methoden, Co-Simulation.
• Validierungsmethoden: Prototyping, Feldtests, Benutzerstudien.
• Im Co-Design parallel durchgeführt, um Designfehler früh zu erkennen.
• Essentiell zur Reduzierung von Nacharbeit und Kosten.

Verifikation und Simulation mit SystemC

Definition:

Verifikation und Simulation von Hardware-Software-Systemen mit SystemC, zur Sicherstellung der Korrektheit und Funktionalität von Designs.

Details:

• SystemC verwendet C++ zur Modellierung von Hardware und Software.
• Verifikation: Validierung der Spezifikation und Funktion des Systems mittels Prüfungen und Tests.
• Simulation: Ausführung des Modells zur Beobachtung und Analyse des Verhaltens.
• Methoden: zeitdiskrete (cycle-accurate) und ereignisgesteuerte (event-driven) Simulationen.
• Verifikation ermöglicht Fehlererkennung früh im Designprozess.
• Hilfsmittel: Testbenches, Assertions und Coverage-Metriken.

Werkzeugketten der Hochsprachen-Synthese

Definition:

Werkzeuge und Verfahren zur automatischen Übersetzung von Hochsprachen-Code (z.B. C/C++) in Hardwarebeschreibungssprachen (z.B. VHDL, Verilog).

Details:

• Ziel: Beschleunigung der Hardware-Entwicklung durch direkte Nutzung von Hochsprachen.
• Hauptbestandteile: Parser, Transformationsmodule, Optimierungswerkzeuge, Codegeneratoren.
• Vorteile: Verkürzte Entwicklungszeiten, Wiederverwendbarkeit, bessere Verifikation.
• Nachteile: Komplexität der Werkzeuge, Herausforderungen bei der Optimierung
• Typische Werkzeuge: Xilinx Vivado HLS, Intel HLS Compiler.

Vorteile und Herausforderungen der Hochsprachen-Synthese

Definition:

Hochsprachen-Synthese (HLS) ist die Umwandlung von Algorithmen, die in Hochsprachen wie C/C++ oder SystemC geschrieben sind, in Hardwarebeschreibungen (VHDL/Verilog).

Details:

• Vorteile:
• Höhere Abstraktionsebene
• Verkürzte Entwicklungszeit
• Bessere Wiederverwendbarkeit
• Automatische Optimierungsmöglichkeiten
• Einfachere Wartung und Änderungen
• Herausforderungen:
• Optimierung oft weniger effizient als manuelle Hardwarebeschreibung
• Abhängigkeit von HLS-Werkzeugen
• Komplexität der Toolchain
• Erfordert tiefes Verständnis sowohl der Software- als auch der Hardware-Entwicklung
• Limitierte Unterstützung für bestimmte Hardwarekonstrukte

Best Practices und Design Patterns für HDLs

Definition:

Best Practices und Design Patterns für Hardware Description Languages (HDLs).

Details:

• Nutze modulare Designs zur Wiederverwendbarkeit und besseren Wartbarkeit.
• Bevorzuge synchrones Design über asynchrones Design, um Komplexität zu reduzieren.
• Vermeide latenzempfindliche Entwürfe, wann immer möglich.
• Testbench-Entwicklung parallel zum Design.
• Nutze simulative Verifikation vor der synthetischen Verifikation.
• Benutze Naming Conventions und Kommentare für bessere Lesbarkeit.
• Verwende Parameterisierung für flexible und skalierbare Designs.
• Möglichst Compiler-Warnungen beachten und beheben.
• Einfache State Machines (Mealy, Moore) für Zustandssteuerung.