RTL Design — Register-Transfer Level
RTL (Register-Transfer Level) návrh je primárna abstrakcia používaná hardvérovými inžiniermi na popis digitálnych obvodov. Na tejto úrovni je návrh vyjadrený ako tok dát medzi hardvérovými registrami (klopné obvody) a kombinačnou logikou (aritmetika, multiplexery, komparátory), ktorá transformuje dáta medzi hodinovými cyklami.
Prečo je RTL dôležitý?
RTL je „zdrojový kód” hardvéru. Rovnako ako softvéroví inžinieri píšu C++ alebo Python a kompilujú ho do strojového kódu, hardvéroví inžinieri píšu RTL vo VHDL alebo SystemVerilog a syntetizujú ho do fyzických logických hradiel na FPGA alebo ASIC.
| Úroveň abstrakcie | Popis | Príklad |
|---|---|---|
| Systémová úroveň | Algoritmické správanie | „Filtruj signál” |
| RTL úroveň | Tok dát medzi registrami | „V každom hodinovom cykle vynásob vstup koeficientom a akumuluj” |
| Úroveň hradiel | Jednotlivé logické hradlá | AND, OR, XOR, prepojenia klopných obvodov |
| Fyzická úroveň | Tranzistory na kremíku | Layout, kovové vrstvy |
Proces RTL návrhu
- Špecifikácia architektúry — Funkčná dekompozícia, definície rozhraní, analýza hodinových domén.
- Návrh mikroarchitektúry — Pipeline stupne, stavové automaty, šírka dátovej cesty.
- Kódovanie RTL — Písanie syntetizovateľného VHDL alebo SystemVerilog kódu.
- Funkčná verifikácia — Samokontrolné testbenche, pokrytie kódu (cieľ >95%).
- Syntéza — Preklad RTL do netliste logických prvkov.
- Časová analýza — Statická časová analýza (STA) pre overenie setup/hold obmedzení.
- Fyzická implementácia — Place & route a generovanie bitstreamu (FPGA) alebo príprava na výrobu (ASIC).
Metriky kvality RTL
| Metrika | Cieľ | Význam |
|---|---|---|
| Pokrytie kódu | >95% | Zabezpečuje dôkladnú verifikáciu |
| Pokrytie prepínania | >90% | Potvrdzuje, že všetky signály boli testované |
| Lint varovania | Nula | Zabraňuje nezhodám pri syntéze |
| Prechody hodinových domén | Všetky preskúmané | Predchádza chybám metastability |
Aplikácie RTL návrhu
- FPGA systémy — Spracovanie signálov, komunikácie, priemyselné riadenie.
- Vývoj ASIC — Verifikácia pred výrobou a prototypovanie.
- Obrana a letectvo — DO-254 certifikovaný letecký hardvér.
- AI akcelerátory — Vlastné inferenčné enginy pre edge nasadenie.