VHDL이란 무엇인가
VHDL(VHSIC Hardware Description Language)은 디지털 회로를 설계하고 시뮬레이션하기 위한 하드웨어 기술 언어입니다. 40년간 임베디드 시스템과 하드웨어를 다뤄온 저로서는 VHDL이 FPGA와 ASIC 설계의 핵심 도구라고 말씀드립니다. 1980년대 미국 국방부 프로젝트에서 시작된 VHDL은 IEEE 표준으로 발전했습니다. 소프트웨어가 순차적으로 실행되는 것과 달리, VHDL로 기술된 회로는 병렬로 동작합니다.
VHDL의 핵심 개념
VHDL의 기본 단위는 엔티티(entity)와 아키텍처(architecture)입니다. 엔티티는 블록의 입출력 포트를 정의하고, 아키텍처는 내부 동작을 기술합니다. 신호(signal)는 하드웨어 와이어에 해당하며, 변수(variable)와 다르게 즉시 갱신되지 않습니다. 프로세스(process)는 순차적 코드를 담는 블록으로, 민감도 리스트의 신호가 변할 때 실행됩니다. 컴포넌트로 모듈을 계층적으로 구성합니다.
동시성과 시간 개념
VHDL의 가장 큰 특징은 동시성입니다. 모든 문장이 동시에 실행된다고 가정합니다. 실제 하드웨어가 그렇기 때문입니다. 델타 지연(delta delay)과 실제 지연으로 신호 전파를 모델링합니다. wait 문으로 시간이나 조건을 기다릴 수 있습니다. 클럭 신호의 상승 에지나 하강 에지에 동기화된 순차 회로를 설계합니다. 이러한 시간 개념이 소프트웨어와 근본적으로 다릅니다.
FPGA 개발 흐름
VHDL 코드를 작성하면 시뮬레이션으로 동작을 검증합니다. 합성(synthesis) 과정에서 코드가 실제 논리 게이트로 변환됩니다. 모든 VHDL 코드가 합성 가능한 것은 아니며, 합성 가능한 부분집합을 사용해야 합니다. 배치 및 배선(Place and Route) 과정을 거쳐 FPGA 비트스트림을 생성합니다. Xilinx Vivado, Intel Quartus 같은 도구가 이 과정을 수행합니다.
VHDL 학습 전략
VHDL을 배우려면 디지털 논리 기초 지식이 필요합니다. 조합 회로와 순차 회로의 차이를 이해해야 합니다. 'Free Range VHDL'은 무료 온라인 교재입니다. GHDL은 오픈소스 시뮬레이터로 학습에 활용할 수 있습니다. 간단한 카운터, FSM(유한상태기계)부터 시작하세요. 실제 FPGA 보드로 실습하면 이해가 빨라집니다. Verilog와 함께 하드웨어 엔지니어의 필수 기술입니다.
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