1

1. บทนํา กอนที่เราจะกาวเขาสูโลกภายในของระบบดิจิตอล เราควรจะมองภาพกวาง ๆ (big picture) ของมันกอน

ดังนั้นในบทนี้เราจะไดวิพากษกันวา อะไรคือคุณลักษณะทั่วไป (general characteristics) ของระบบดิจิตอล แลวเราจะดูวาทําไมระบบดิจิตอลถึงไดเขาไปมีสวนมากมายในหลายวงการ และหลายอุปกรณ หลังจากนั้นเราจะไปดูวาการออกแบบระบบดิจิตอลเขาทํากันอยางไร และสุดทายอะไรคือทักษะ ความรู และเครื่องมือที่จะชวยใหเราเปนนักออกแบบระบบดิจิตอลที่ดี

1.1 ระบบอิเล็กทรอนกิส (Electronic Systems) กอนที่จะเขาสูระบบดิจิตอล เรามาทําความเขาใจภาพที่กวางกวานั้นกอนนั่นคือระบบอิเล็กทรอนิกส เรา

อาจมองระบบอิเล็กทรอนิกสวาเปน “กลองดํา” (black box) อันหนึ่งซึ่งทําหนาที่ประมวลสารสนเทศ (information)ในรูปของความสัมพันธระหวางสัญญาณดานเขา (input signals) และสัญญาณดานออก (output signals) ตามที่แสดงในรูปที่ 1.1(a) สัญญาณดานเขาและสัญญาณดานออกดังกลาวคือสัญญาณไฟฟา (electrical signals) ซึ่งจะเปน ฟงกชันเวลาของ กระแส และ/หรือ แรงดัน ในระบบอเิล็กทรอนิกสนั้นสารสนเทศ ที่เขามาในระบบจะถูกเขารหัสเปนสัญญาณดานเขา แลวจะถูก ประมวล (process) หรือถูกแปลง (transform) ภายในระบบอิเล็กทรอนิกส และสารสนเทศที่เปนเอาตพุตของระบบก็จะถูกเขารหัสและสงออกมาเปนสัญญาณดานออก

รูปที่ 1.1 ระบบอิเล็กทรอนิกส

ตัวอยางเชนสารสนเทศดานเขาอาจจะเปนเลขสองตัว และผลคูณของเลขสองตัวนั้นเปนสัญญาณสารสนเทศดานออก ในระบบอิเล็กทรอนิกสตัวเลขดังกลาวจะถูกแทนดวยสัญญาณไฟฟา ในขณะที่การคูณเปนการประมวลหรือการแปลง (transformation) ของระบบอิเล็กทรอนิกสดังกลาว อีกตัวอยางหนึ่งคือเสียงจากการออกอากาศของสถานี

2

วิทยุ (สัญญาณเสียงที่ขี่อยูบนสัญญาณวิทยุ) เปนสารสนเทศดานเขา และเสียงที่ออกมาที่ลําโพงเปนสารสนเทศดานออก ระบบอิเล็กทรอนิกสดังกลาวก็คือเครื่องรับวิทยุนั่นเอง จะเห็นวาการแทนหรือเขารหัสสารสนเทศดวยสัญญาณไฟฟานั้นเปนหัวใจสําคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส ดวยเหตุนี้เราอาจแบงระบบอิเล็กทรอนิกสเปน 2 ประเภทใหญตามลักษณะของสัญญาณ นั่นคือระบบอนาล็อก และระบบดิจิตอล ในระบบอนาล็อกนั้น ขนาด (magnitude) ของสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงอยางตอเนื่อง เราเรียกสัญญาณเหลานี้วาสัญญาณอนาล็อก (analog signal) หรือ สัญญาณแบบตอเนื่อง (continuous signal) อยางเชนรูปที่ 1.1 (b) เปนตัวอยางของระบบอิเล็กทรอนิกสแบบอนาล็อกที่เรียกวาตัวขยาย (amplifier) ซึ่งทําหนาที่ขยายสัญญาณขาเขาใหมีขนาดใหญขึ้น ตามธรรมชาติแลวสารสนเทศตาง ๆ ในโลกเชนเสียง ภาพ ความรอน ความชื้น ฯ จะเปนสัญญาณอนาล็อก ดังนั้นระบบอนาล็อกจึงเปนระบบที่เลียนแบบธรรมชาติ ในระบบดิจติอลการเปลี่ยนแปลงของขนาดของสัญญาณจะเปนไปในลักษณะที่ไมตอเนื่อง (discrete) และมีเพียงสองขนาดเทานั้น สารสนเทศจะถูกเขารหัสดวยตัวเลข ‘0’ หรือ ‘1’ ซึ่งแทนดวยขนาดของสัญญาณสองขนาดดังกลาว รูปที่ 1.1 (c) เปนตัวอยางของระบบดิจิตอลที่เรียกวาตัวนับ (counter) ในเมื่อระบบอนาล็อกเปนระบบที่เลียนแบบธรรมชาติอยูแลว ทําไมเราตองมีระบบดิจิตอล เราสามารถสรุปคําตอบออกมาเปน 3 ประเด็นคือ

1. ในระบบดิจิตอล เราสามารถสรางระบบที่ซับซอนไดงายกวา 2. ระบบดิจิตอลมีความเชื่อถือไดมากกวา 3. ระบบดิจิตอลสามารถโปรแกรมหรือเปล่ียนแปลงไดงายกวา

1.2 ระบบดิจติอล (Digital Systems) ระบบดิจิตอลในรูปที่ 1.1 (c) อาจจะไมสมบูรณ เพราะตามที่ไดกลาวมาแลววาตามธรรมชาติแลว ส่ิงที่เราตองการวัด ควบคุม เปล่ียนแปลง หรือ ประมวล จะเปนสัญญาณที่ตอเนื่อง กลาวคือในระบบอิเล็กทรอนิกส เรามีตัวเปล่ียนปริมาณทางกายภาพเชน เสียง ความเร็วรถ อุณหภูมิ ฯ ไปเปนสัญญาณไฟฟา ซึ่งเรียกวา transducers หรือตัวตรวจจับ (sensors) และดวยธรรมชาติของปริมาณทางกายภาพเหลานี้และธรรมชาติของตวัตรวจ สัญญาณไฟฟาที่ไดจะเปนสัญญาณแบบตอเนื่องหรือสัญญาณอนาล็อก ดังนั้นถาเราตองการที่จะประมวลสัญญาณดวยระบบอิเล็กทรอนิกส เราจําเปนตองมีตัวเปลี่ยนสัญญาณจากอนาลอกเปนดิจิตอล (Analog to Digital Converter) หรือ ADC ทางดานอินพุต ทํานองเดียวกันเมื่อเราประมวลสัญญาณดวยระบบดิจิตอลแลว โดยทั่วไปสัญญาณทางดานขาออกก็จะเปนสัญญาณไฟฟาทีต่องนําไปเปลี่ยนเปนปริมาณทางกายภาพอีกครั้ง เราเรียกตัวเปล่ียนสัญญาณไฟฟาเปนสัญญาณทางกายภาพดงักลาววา transducers หรือ actuator เชนลําโพง (speaker) เปนตัวเปลี่ยนจากสัญญาณไฟฟาในยานความถี่ เสียง (audio signal) เปนเสียง และเชนเดียวกับตัวตรวจจับ actuator มักจะตองการอินพุตเปนสัญญาณไฟฟาแบบตอเนื่อง ไมใชสัญญาณแบบดิจิตอล ดังนั้นเราจึงจําเปนตองมีตัวเปลี่ยนจากสัญญาณขาออกของระบบดิจิตอลไปเปน สัญญาณอนาลอก เรียกวา (Digital to Analog Converter) หรือ DAC ตัวอยางของระบบดิจิตอลที่สมบูรณแสดงอยูในรูปที่ 1.2

3

รูปที่ 1.2 ระบบดิจิตอลที่สมบูรณ

สังเกตวา ADC และ DAC สรางกรอบใหโลกของการประมวลแบบดิจิตอลแบบเทียมขึ้น ถาเราตองการที่จะไมใชตัวเปลี่ยนสัญญาณดังกลาว เราจะตองใชการประมวลสัญญาณแบบอนาลอก การตัดสินใจวาเราควรจะใชระบบดิจิตอลหรืออนาลอก ไมใชงายเสมอไปเพราะเทคโนโลยีทั้งสองดานมีการพัฒนาอยางตอเนื่อง แตอยางไรก็ตาม ในปจจุบันระบบดิจิตอลมีขอไดเปรียบอยูดังที่กลาวไวขางตน ประการแรกคือความซับซอนของระบบ ในปจจุบันระบบเทคโนโลยีการผลิตของดิจิตอลไดกาวหนาไปมากกวาระบบอนาลอก ทําใหเราสามารถที่จะสรางระบบดิจิตอลที่ซับซอนมาก ๆ ลงในวงจรรวม (integrated circuit) ได สาเหตุอีกประการหนึ่งที่ทําใหเราสรางระบบดิจิตอลที่ซับซอนมากกวาคือ การออกแบบระบบดิจิตอลทําไดงายกวา เพราะวาระบบดิจิตอลเปนระบบที่แบงออกเปนระบบยอย ๆ ไดงาย และการสรางแบบจําลองใหระบบดิจิตอลนั้นทําไดงายและมีหลายระดับ กลาวคือเพื่อจําลองการทาํงานของระบบ เราสามารถสรางแบบจําลองในระดับสูง (มีความละเอียดต่ํา) เชนระดับระบบ (system level) หรือ ระดับต่ํา (มีความละเอียดสูง) เชนระดับเกท (gate level) ก็ไดขึ้นอยูกับความจําเปน และความตองการของเรา ดวยเหตุนี้ทําใหการออกแบบระบบดิจิตอลเปนไปอยางมีลําดับ (hierarchy) และเปนขั้นตอน (stepwise) ยิ่งไปกวานั้น ระบบดิจิตอลจะสามารถผลิตไดงายกวาระบบอนาลอก เพราะวาระบบดิจิตอลมีสภาวะการทํางานอยูเพียงสองสถานะเทานั้น ประการที่สองคือความเชื่อถือไดของระบบ ระบบดิจิตอลมีความเชื่อถือได (reliability) สูงกวาระบบดิจิตอลในแงของการทนตอการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภายนอกที่มีผลตอการทํางานของระบบไดดีกวา ความเชื่อถือไดของระบบหมายความวาระบบสามารถทํางานไดอยางถูกตองและตอเนื่องภายใตการเปลี่ยนแปลงที่ไมคาดหวังหรือที่ไมตองการของสภาวะการทํางาน (operating condition) สภาวะที่ไมตองการเหลานั้นเชน (1) การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิรอบขางเนื่องมาจากกําลังสูญเสีย (power dissipation), (2) คุณลักษณะ (characteristic) ที่เปล่ียนไปตามอายุการใชงานของอุปกรณตาง ๆ หรือ (3) การรบกวน (noises) ในระบบอนาลอกนั้นเอาตพุตมักจะมีความไวตอการ

4

เปล่ียนแปลงเหลานี้สูงกวาระบบดิจิตอล ทําใหมีความเชื่อถือไดต่ํากวา และเนื่องจากระบบอนาลอกตอบสนองตอการเปลี่ยนแปลงแบบตอเนื่องอยูแลว จึงทําใหเปนการอยากที่จะกรองเอาการเปลี่ยนแปลงที่ไมตองการนั้นออกไป ในทางตรงกันขาม ระบบดิจิตอลจะสามารถทนตอการเปลี่ยนแปลงดังกลาวไดดีกวา เพราะวาชวง (range) หรือ tolerance ของระบบดิจิตอลดีกวาระบบอนาลอก ตัวอยางเชนในระบบดิจิตอลโดยทั่วไป จะพิจารณาวาใหแรงดันในชวง 2-5 โวลต เปนแรงดันในสถานะ high หรือลอจิก ‘1’ และ แรงดัน 0-1 โวลตเปนสถานะ low หรือลอจิก ‘0’ ดังนั้นแรงดันสามารถเปลี่ยนแปลงอยูในชวงที่กวางโดยไมมีผลตอการทํางานของระบบ ประการสุดทายคือระบบดิจิตอลเปนระบบที่โปรแกรมไดงายกวาระบบอนาลอก ในที่นี้คําวาโปรแกรมได (programmable) หมายถึงเปลี่ยนแปลง หรือ ปรับ (modification) ฟงกชันของระบบเพื่อใหทํางานที่แตกตางกันได การโปรแกรมไดนั้นมีหลายระดับ ทั้งระบบอนาลอกและดิจิตอลยอมใหปรับเปล่ียนไดอยางงายโดยเทคนิคทางฮารดแวร เชนเปล่ียนฟงกชันโดยปรับที่สวิตช หรือเปล่ียนอุปกรณ แตระบบดิจิตอลยอมใหเราปรับเปล่ียนดวยเทคนิคทางซอฟทแวร (software-oriented programming techniques)

รูปที่ 1.3 แสดงใหเห็นวาเทคนิคการปรับเปล่ียนทางซอฟทแวรทํางานอยางไร ระบบดิจิตอลถูกออกแบบใหทํางานตามเซ็ตของคําส่ัง (instruction) โดยเราจะอธิบายฟงกชันที่ตองการดวยภาษาสําหรับเขียนโปรแกรม เชน Pascal, C ผลลัพทที่ไดเรียกวา software program หรือส้ันวา “โปรแกรม” (a program) หรือ ซอฟทแวร (software) แลวตัวคําอธิบายเหลานี้ก็จะถูกแปลงหรือแปร (compile) เปนภาษาที่ระบบดิจิตอลเขาใจเรียกวา ภาษาเครื่อง (machine language) โดยตัว compiler และ assembler ดังนั้นการเปลี่ยนฟงกชันภายใตขอกําหนดของฮารดแวรสามารถทําไดโดยเพียงการเปลี่ยนซอฟทแวรเทานั้นไมตองเปลี่ยนฮารดแวร

รูปที่ 1.3 การโปรแกรมระบบดิจิตอลดวยซอฟทแวร

1.3 ขบวนการออกแบบระบบดิจิตอล (Digital System Design Process) เราไดเห็นถึงขอไดเปรียบของระบบดิจิตอลแลว คําถามตอไปก็คือวา การออกแบบระบบดิจิตอลทําได

อยางไร โดยทั่วไปแลว ในระบบดิจิตอลขนาดใหญมากเชน โปรเซสเซอรสําหรับใชงานทั่วไป (general-purpose processor) ซึ่งใชในการสรางคอมพิวเตอร หรือ โปรเซสเซอรเฉพาะอยาง (special-purpose processor) ที่ใชในงานส่ือสารผานดาวเทียมนั้น มีตัวอุปกรณ (components) ตาง ๆ หลายลานตัวและอาจใชเวลาหลายปในการพัฒนา ดังนั้นจึงเปนไปไดยากหรือเปนไปไมไดเลย ที่จะออกแบบระบบที่ซบัซอนเชนนี้ในระดับรายละเอียด (detailed level) เพราะความซับซอนนั้นมากเกินที่จะรับได ตามที่ไดเกลิ่นไวไวตอนตนแลววาเราสามารถออกแบบระบบดิจิตอลที่ซับซอนมากไดดวยการแบงเปนลําดับช้ัน (hierarchy) ตามระดับของ abstractions (level of abstraction) ซึ่ง ระดับ

5

ของ abstractions นี้เปนตัวที่กําหนดหรือนิยามขึ้นมาสําหรับการมองหรือจําลอง (modeling) ระบบดิจิตอลเทานั้น และ แตละองคกร และ/หรือ แตละทีมงานออกแบบ (design team) มักจะใชเซ็ตของ abstractions ที่เปนของตัวเองเพื่อใหเหมาะกับผลิตภัณฑหรือความชอบของตัวเอง

รูปที่ 1.4 แสดงเซ็ตของ abstractions ที่ใชกันมาก ในรูปนี้ขบวนการออกแบบจะเริ่มจาก abstraction ในระดับ stochastic (stochastic level of abstraction) จนถึง abstraction ในระดับ fabrication (fabrication level of abstraction) แตละระดับที่ติดกันจากบนลงลางจะมีความละเอียดเพิ่มมากขึ้น ความซับซอนของระบบจะคอย ๆ เพิ่มขึ้นอยางเปนระบบโดยการเพิ่มความละเอียดใหกับระบบทีละขั้นผานระดับของ abstractions จนกระทั่งไดระบบที่สมบูรณ

Abstraction ในระดับ stochastic หรือ ระดับ performance บอกถึงหนวยทํางานหลัก (major function units) ของระบบ และใหนิยามการติดตอระหวางกันของแตละหนวยเพื่อที่จะเปลี่ยนจากขอมูลดานเขาไปเปนขอมูลดานออกที่ตองการ ใน algorithmic level of abstraction หนวยทํางานหลักจะถูกแบงยอย (decompose) ไปเปนลําดับขั้นของการประมวลหรือ procedure และกําหนดวาระบบยอยเหลานี้ควรจะถูกสรางดวยฮารดแวรหรือซอฟทแวร แลวใน dataflow level of abstraction อัลกอริทึมตาง ๆ ก็จะถูกแบงยอยเปนลําดับขั้นของการไหลของขอ มูลในระบบ และกําหนดวาฮารดแวรตัวใดที่ตองใชในการควบคุม (control) การกระทํา (operate) หรือเก็บ (store) ขอมูล ในระดับตอไปคือ logic level of abstraction นั้น การไหลของขอมูล (dataflow) จะถูกแบงยอยเปนอุปกรณฮารดแวรที่เล็กลงเชน เกท (gate) หรือ ฟลิบฟลอบ (flip-flop) แลวอปุกรณเหลานี้ก็จะถูกเปล่ียนเปนวงจรอุปกรณในระดับวงจรไฟฟาเชน ตัวตานทาน (resistor) ทรานซิสเตอร (transistor) ใน circuit level of abstraction สุดทายวงจรไฟฟาเหลานี้ก็จะถูกสรางเปน layout ใน layout level of abstraction ซึงจะถูกนําไปสรางเปนวงจรรวม (integrated circuit) ใน fabrication level of abstraction

เราอาจจะไมคุนเคยกับระดับของ abstraction ดังกลาว ซึ่งเปนธรรมดา แตส่ิงที่เราตองการในจุดนี้ก็คือ ภาพรวมของกระบวนการออกแบบ เพื่อที่จะใหเราเห็นวาส่ิงที่เราจะเรียนรูนั้นเปนสวนไหนของกระบวนการทั้งหมด คงไมมีใครที่จะเปนผูเชี่ยวชาญในทุกดานได วิศวกรทั่วไปนั้นมีความเขาใจโดยกวางของกระบวนการออกแบบแตจะมีความเชี่ยวชาญเพียงหนึ่งหรือสองดานเทานั้น และในวิชานี้เราจะมุงเนนไปที่ logic level of abstraction เทานั้น ดวยเหตุวาการออกแบบระบบดิจิตอลนั้นสรางจากระดับของ abstraction หนึ่งไปเปนอีกระดับหนึ่ง และระดับลอจิกนั้นเปนระดับที่เปนฐานใหกับระบบดิจิตอล ความเขาใจการออกแบบลอจิกจึงเปนส่ิงจําเปนและจะทําใหเราเขาใจการออกแบบในระดับ dataflow ซึ่งจะทําใหเราเขาใจการออกแบบในระดับอัลกอริทึม ตอไปเรื่อย ๆ

1.4 การออกแบโดยอัตโนมัติ (Design Automation) การออกแบบโดยอัตโนมัติ (Design automation (DA)) หรือ การออกแบบโดยใชคอมพิวเตอรชวย (computer-aided design (CAD)) มีบทบาทเพิ่มสําคัญมากขึ้นทุกวันในการออกแบบระบบดิจิตอล และควรจะเปนทักษะหนึ่งในเซ็ตของทักษะของวิศวกร DA นั้นจะประกอบไปดวยโปรแกรมคอมพิวเตอรหลายตัวซึ่งทําหนาที่แทนคนในงานที่ตองใชเวลา หรืองานซ้ําซากนาเบื่อ

6

รูปที่ 1.4 ลําดับชั้นในกระบวนการออกแบบระบบดิจิตอล

7

Design Entry tools ทําหนาที่เปนตัวเชื่อมระหวางคนออกแบบและคอมพิวเตอร กลาวอีกนัยหนึ่งคือมันเปนตัวชวยคนออกแบบในการอธิบายความคิดในการออกแบบเพื่อใหเครื่องมือ (tools) อื่น ๆ ใน DA เขาใจ และในปจจุบัน Design Entry tools มีหลายแบบและหลายระดับ

Synthesis tools ชวยในการสรางตัวแบบ (design) ส่ิงที่ไดจาก Design Entry tools ยังไมใชตัวแบบจริง synthesis tools จะเปนตัวชวยใหไดตัวแบบนั้น ซึ่งโดยมากแลวจะเปนตัวแบบในระดับที่มีความละเอียดมากขึ้น ดังนั้นงานในการสังเคราะหจงึเปนงานที่ทาทายมาก ดวยเหตุนี้ synthesis tools จึงเปนเครื่องมือที่คอนขางใหม (เริ่มเขามาเปนที่รูจักในราวปลายทศวรรษที่ 80) เทียบกับเคร่ืองมือตัวอื่น เชนเดียวกันกับ Design Entry tools ตัว synthesis tools ก็มีหลายแบบและหลายระดับตั้งแต low-level logic optimization ไปจนถึงการแบง (partitioning) การกําหนดลําดับ (scheduling) และ การกําหนดตําแหนง (allocation) ในระดับอัลกอริทึม (high-level algorithmic)

Verification tools ชวยในการตรวจสอบความถูกตองของตัวแบบ วาทํางานตามฟงกชันที่ตองการหรือไม และมีสมรรถนะ (performance) ตาม

ตองการหรือไม ตัวอยางของ verification tools คือ เครื่องมือในการวิเคราะหเกี่ยวกับจังหวะเวลา (timing analysis tools) และตัวจําลองการทํางาน (simulator) หนาที่ของ เครื่องมือในการวิเคราะหเกี่ยวกับจังหวะเวลา เชนหาวา

มีเสนทาง (path) ใดในวงจรหรือเปลาที่ไมเปนไปตามขอกําหนดดานเวลา เชนเสนทางที่มีการหนวงเวลา (delay time) มากเกินไปเปนตน

รูปที่ 1.5 Design automation taxonomy

Physical design tools ชวยในการแปลงตัวแบบที่อยูในรูปของวงจรลอจิกไปเปนอุปกรณจริง (physical devices) หนาที่เหลานี้ไดแก การแบงสวน (partitioning) การวาง (placement) และการเชื่อมตอ (wiring) ซึ่งการแบงสวนเปนการตัดสินวา design function ควรจะแบงเปนสวนยอยอะไรบางและอยางไร สวนการวางและการเชื่อมตอนั้นตัดสินและจัดการการเชื่อมตอระหวาง physical devices ตาง ๆ

Fabrication tools ชวยในการผลิตตัวแบบ และ test tools ในการตรวจสอบวาสวนที่ผลิตมาซึ่งก็คือผลิตภัณฑสุดทายเปนไปตามเกณฑ (criteria) หรือไม

1.5 VHDL ในกระบวนการออกแบบที่กอนมาขางตนนั้น ส่ิงหนึ่งที่เปนความจําเปนพื้นฐานก็คือการสื่อสารสารสนเทศ

ของการออกแบบ การส่ือสารเหลานี้อาจจะเปนระหวางบริษัท คนออกแบบ และ design automation tools ในราวทศวรรษที่ 1960s ก็ไดเกิดการพัฒนาภาษาหลายภาษา เชน Computer Design Language (CDL), Digital System Design Language (DDL) และ A Hardware Programming Language (AHPL) เพื่อเปนเปนเครื่องมือในการถายเท (transportation) และแลกเปลี่ยน (exchange) สารสนเทศของตัวแบบ ภาษาสําหรับอธิบายฮารดแวร เหลานี้

8

ตอบสนองเพียงความตองการบางอยางเทานั้น และความหลากหลายของภาษาไปเพิ่มปญหาของการสื่อสารมากขึ้น องคกรที่ใชภาษาตางกันไมสามารถที่จะส่ือสารกันได ดังนั้นจึงมีความตองการภาษาที่เปนมาตรฐาน และเปนจุดเกิดของ VHDL

VHDL เปนคํายอภายในคํายอนั่นคือ มันยอมาจาก VHSIC Hardware Description Language และ VHSIC ยอมาจาก Very High Speed Integrated Circuits อีกทีหนึ่ง ทั้งนี้ก็เพราะประวัติศาสตรของการกําเนิดภาษา VHDL นั่นเอง โครงการ Very High Speed Integrated Circuits ซึ่งสนับสนุนโดยกระทรวงกลาโหม (Department of Defense) ของสหรัฐอเมริกาไดเร่ิมตนการออกแบบภาษา VHDL ขึ้นมาเพื่อใชในโครงการดังกลาว และเพื่อสนับสนุนการออกแบบระบบดิจิตอลยุคใหม การออกแบบภาษา VHDL เร่ิมขึ้นอยางเปนทางการเมื่อป ค.ศ. 1983 และหลังจากผานการปรับปรุงหลายครั้ง VHDL ไดกลายเปนภาษามาตรฐานโดย IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineering) ในป 1987 หลังจากนั้นมันก็ไดรับความนิยมและเปนที่ยอมรับอยางรวดเร็ว ทําใหเกิดความกาวหนาอยางมากใน วิธีการออกแบบ (design methodology) เทคโนโลยีของการออกแบบอยางอัตโนมัติ และธรรมชาติของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกสเอง

ในปจจุบัน ความเขาใจและความสามารถในการใชภาษา VHDL ไดกลายเปนทักษะที่จําเปนอยางหนึ่งของวิศวกร เพราะการออกแบบระบบดิจิตอลสมัยใหม ตองการความสามารถในการสื่อสารความคิดและสื่อสารตัวแบบ ดวยเหตุที่แกนของภาษา VHDL คือเพื่ออธิบายแนวคิดและแนวปฏิบัติของระบบดิจิตอล มันจึงเปนประโยชนอยางมากที่จะศึกษา VHDL ไปพรอมกับการเรียนรูระบบดิจิตอล มุมมองของระบบดิจิตอลจะชวยใหการเรียนรูภาษา VHDL ไดเร็วขึ้น และในทางกลับกัน มุมมองของ VHDL ก็จะชวยใหเราเขาใจระบบดิจิตอลไดดีขึ้น

นอกจากเปนตัวชวยในดานการศึกษาเกี่ยวกับระบบดิจิตอลแลว ภาษา VHDL เองยังเปนเสมือน “gateway” ทางภาษาสําหรับเทคโนโลยีการออกแบบอยางอัตโนมัติ เครื่องมือในการออกแบบอยางอัตโนมัติทําใหวิศวกรสามารถคนควาระบบดิจิตอลที่ถาทายและสรางสรรได โดยถาไมมีภาษาเชนนี้ การสืบสาวและคนควาแทบเปนไปไมได

1.6 บทสรุป วิชานี้จะมี theme ตามรูปที่ 1.6 นั่นคือจะเปนการรวมเอาทักษะและความรูสามอยางคือ ทฤษฎีและการ

ปฏิบัติของระบบดิจิตอล (digital theory and practice) ทักษะของการแกปญหา (problem solving skills) และ VHDL เขาดวยกันเพื่อใหเกิดระบบดิจิตอล

ระบบอิเล็กทรอนิกสอาจถูกแบงออกเปนระบบอนาลอกและระบบดิจิตอล โดยระบบอนาลอกประมวลสัญญาณไฟฟาที่เปล่ียนแปลงอยางตอเนื่อง ในขณะที่ระบบดิจิตอลประมวลสัญญาณไฟฟาที่เปล่ียนแปลงอยางเปนชวง (discrete)

ระบบดิจิตอลโดยทั่วไปใชวิธีการออกแบบที่เปนชั้น ๆ (hierarchical design methodology) ของแบบจําลองในระดับตาง ๆ ตั้งแตระดับที่ abstraction สูงถึงระดับที่มี abstraction ต่ํา เพื่อลดคาใชจายและเวลาในการออกแบบระบบดิจิตอล ทําใหหลายจุดของการออกแบบระบบดิจิตอลทํา ไดอยางอัตโนมัติดวยโปรแกรมคอมพิวเตอร ทําใหเกิดการออกแบบอยางอัตโนมัติ (Design automation)

9

VHDL คือภาษาคอมพิวเตอรที่ใชสําหรับอธิบายระบบดิจิตอล การรวมเอา VHDL กับวิศวกรรมดานดิจิตอลเขาดวยกันก็จะเปนการเพิ่มความแข็งแกรงในการเรียนรูทั้งสองอยาง ซึ่งวิธีการนี้เปนเพียงหนึ่งในหลายวิธีสําหรับการเรียนรู VHDL เราจะเรียนรูวารูปแบบ (styles) ในการจําลองฮารดแวรก็เหมือนกับการจําลองซอฟแวรในแงที่วามันขึ้นอยูกับความพอใจ เมื่อเรามีประสบการณและความชํานาญมากขึ้น เราควรจะลองรูปแบบการจําลองแบบอื่น ๆ ดูเพื่อคนหาแบบที่เหมาะกับตัวเอง

รูปที่ 1.6 Key aspects of digital system engineering

เทคโนโลยีดานดิจิตอลไดกาวหนาอยางรวดเร็วและไดเขาไปเปนสวนตางของการดํารงชีวิตมากขึ้น การทํา

ความเขาใจวิศวกรรมของระบบดิจิตอลกลายเปนงานที่ทาทาย แตศักยภาพของมันทําใหเรามองอนาคตที่นาตื่นเตน ดังนั้นเรามาเริ่มการเดินทางของเรากันเลย Reference