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==

VHDL

== Vhsic Hardware Description Language

Versão 24/10/2003

Manuel Lois Anido - NCE/UFRJ 1

Bibliografia



Disponível no Help On-line de um dos ambientes a ser usado (Aldec, Xilinx, Altera, Modelsim, Warp, etc)



Na página da Disciplina ( http://equipe.nce.ufrj.br/adriano/circlog)



Cópia das Transparências do Professor (Formato Power Point)



Resumo de Dicas VHDL em formato Word 97.



Notas de aula sobre o uso das Ferramentas Warp e Active-HDL Sim



Livros:



“Digital Design and Modeling with VHDL and Synthesis”, K.C. Chang



IEEE Computer Society - Melhor Livro - Biblioteca NCE



“The VHDL Cookbook” - Peter J. Ashenden



Disponível na Web : www.ecsi.org/EARNEST/digests/VHDL_cookbook



“VHDL for Programmable Logic” - Kevin Skahill

 

Addison Wesley Publishers, 1996 - Biblioteca NCE Vem com CD-ROM WARP da Cypress e Simulador Active-VHDL Público



Lista de Discussão da Disciplina : [email protected] (subscrever a lista)

VHDL

Introdução

VHDL Introdução



VHDL :

    

Very high speed integrated circuit ( Demanda Gov. USA, 1980,1983- Progr. VHSIC ) Hardware Description Language Linguagem de alto nível conhecida por permitir:



A modelagem de projetos eletrônicos complexos (especificações).



A simulação dos modelos de componentes.



A síntese lógica, ou seja, ferramentas pegam a descrição em VHDL e geram uma lista otimizada de portas lógicas e registros que pode ser sintetizada.



Linguagem padronizada (IEEE Std 1076-1987 e 1076/93)



Para uma boa descrição (e futura síntese do circuito) em VHDL recomenda se ter em mente a implementação em Hardware.

VHDL Introdução



Modelagem

de circuitos eletrônicos complexos.



Linguagem de alto nível facilitando a descrição do comportamento dos modelos.



Forte nível de abstração. A possibilidade de implementar fisicamente o projeto não é necessariamente levada em conta neste nível (comportamental).



A partição em vários elementos permite dividir um modelo complexo em um número de elementos mais simples de desenvolver separadamente.

VHDL Introdução



Programação



Programação em VHDL é semelhante à programação procedural usual, mas com alguns conceitos novos.

CÓDIGO FONTE VHDL COMPILADOR VHDL BIBLIOTECA COMPONENT SIMULADOR VHDL



A noção de atraso (delay) e ambiente de simulação são dois conceitos novos em VHDL. VHDL também suporta concorrência e netlisting de componentes , que não são comuns em linguagens de programação.



VHDL suporta concorrência usando o conceito de

sentenças concorrentes

rodando em

tempo de simulação

(este é o modo default da linguagem). Em VHDL também existem sentenças sequenciais para descrever comportamento algorítmico (especificadas dentro de um Process ).



Em VHDL,

hierarquia de projeto

é realizada compilando componentes separadamente e instanciando os num componente de mais alto nível.

VHDL Introdução



Simulação (1):



VHDL possui um conjunto de instruções particularmente potente para:



Geração de estímulos



Captura de resultados.



Os modelos de comportamento (especificações) são simulados com a finalidade de verificar sua coerência.



O conjunto de modelos de comportamento + arquivos de simulação constituem por sua vez uma especificação e um meio de verificação.



O comportamento de um modelo e de sua realização física deveriam ser idênticos.

VHDL Introdução



Simulação (2):



A descrição de um projeto ou modelo, escrito em VHDL, é normalmente rodada num simulador VHDL para demonstrar o comportamento do sistema modelado. O fato de se ter um simulador associado é uma característica marcante de se trabalhar em VHDL.



A linguagem VHDL suporta a descrição de vetores de teste (estímulos) para executar a simulação e a captura dos resultados.

MAQ. ESTADOS ARQUIVO ESTÍMULO ARQUIVO SAÍDA COMPILADOR VHDL SIMULADOR VHDL GRAFICADOR CÓDIGO FONTE VHDL BIBLIOTECA COMPONENT 8

VHDL Introdução



Síntese lógica:



Converte uma descrição HDL de um bloco na descrição de um circuito (estrutural tal como esquemático) com portas lógicas e registros interligados, fazendo o maior número de otimizações possível. Síntese Lógica não é aplicável a blocos tais como RAMs, ROMs, PLAs e “Datapaths”, por duas razões: velocidade e área.



Usa somente uma parte reduzida diretamente sintetizáveis.

do conjunto de instruções da linguagem VHDL. Numerosas construções utilizáveis em modelos ou em simulação geram uma sintetização muito ruim (consomem muitos gates) ou não são



As construções suportadas variam segundo as ferramentas.



Síntese de Alto Nível:



Converte uma descrição funcional (tal como em “C” ou Pascal) numa descrição com portas lógicas e registros (ou direto layout). É menos eficiente que síntese lógica. Compiladores de Silício.

VHDL Introdução



Uso de Bibliotecas:



A linguagem VHDL consiste de diversas partes (assim como outras linguagens), algumas embutidas e outras que são adicionadas usando

Packages.

Estas partes são listadas abaixo:

    

Declarações adicionais de tipos de dados no Package STANDARD.

Algumas funções utilitárias de I/O no Package TEXTIO Alguns tipos de dados para simulação no Package STD_LOGIC_1164.

Algumas bibliotecas e Packages de fornecedores.

Bibliotecas e Packages do usuário.



Exemplos:



Biblioteca IEEE : Package STD_LOGIC_1164 e Package STD_LOGIC_ARITH



Biblioteca STD : Package TEXTIO e Package STANDARD 10

VHDL Introdução



Projeto Top-Down:



Uma descrição VHDL pode ser escrita em vários níveis de abstração.



Algorítmico (comportamental)



Transferência de Registros



Funcional a nível de portas lógicas com atraso unitário



Nível de portas lógicas com atrasos detalhados



Na metodologia Top Down, o projetista começa com um nível de abstração mais elevado e simula o sistema. Posteriormente, ele pode descrevê-lo em maior detalhe e voltar a simulá-lo. Um exemplo é o uso do operador “+”.



Na hora em que usamos um operador “+” (e.g. “b+c”), abstraimos-nos do tipo de somador que é usado. Poderíamos definir um operador “plus16” que definiria uma soma inteira em 16 bits (“plus16 (b,c)”).

VHDL

VHDL

Características Marcantes

VHDL Características Marcantes



VHDL - Estrutura



Entity Representa algo físico (subsistema, placa, chip, etc) - Os sinais de interface de um projeto são descritos na entidade.

  

Architecture - Esta Unit descreve o comportamento do projeto.

Package Armazena certas especificações frequentemente usadas.

Configuration Permite selecionar uma variação de um projeto de uma biblioteca.

Projeto VHDL Arquivos VHDL Packages Declaram constantes, tipos de dados, componentes, e subprogramas usados por diversos projetos e/ou entidades Configurações Definem as configurações específicas de componentes Especificações de Entidades Definem as interfaces das entidades Arquiteturas Definem as implementações das entidades 13

VHDL Características Marcantes



VHDL permite:



Definir os “ports” de entrada/saída do conjunto lógico descritivo

(ENTITY).

Sinais simples ou na forma de “bus”.



Definir um modelo de comportamento

(ARCHITECTURE)

usando o conjunto de instruções. Dependendo das ferramentas de síntese e simulação, podem ser usados os modelos comportamental, estrutural e fluxo de dados (data flow).



Unir os diferentes módulos descritos separadamente.

(Gerência de hierarquía, VHDL estrutural).

Entidade Declaração da Entidade Declaração da Interface Corpo da Arquitetura Definição Funcional 14

VHDL Características Marcantes



Entidade (1)



Declaração entity

somador4

is port

( a, b : vem1 :

in in

std_logic_vector (3 std_logic;

downto

0); soma: vai1 :

out out end

somador4; std_logic_vector (3 std_logic);

downto

0); 

Ports e Modos



Cada sinal de I/O numa entidade é um PORT , que é análogo a um pino num diagrama esquemático.

MODE In a [3:0] vem1 b [3:0] soma [3:0] vai1 somador4 MODE Out Buffer



Modos

 

In Os dados fluem só p/dentro da entidade Out Saída somente. Não há realimentação



Buffer Permite realimentação mas não há dados bidirecionais.



Inout - Para sinais bidirecionais In In Inout Out 15

VHDL Características Marcantes



Entidade (2)



Tipos de dados para Ports Existem diversos tipos de dados, que estão disponíveis em diferentes “packages”. Alguns tipos facilitam o trabalho de simulação mas não são aplicáveis à síntese.

Os tipos do padrão IEEE 1076/93, que são os mais úteis, bem suportados por ferramentas e que são aplicáveis à síntese são: boolean, bit, bit_vector e integer .

Os tipos mais úteis e mais bem suportados do “package” IEEE std_logic_1164 síntese são os tipos std_ulogic e std_logic e arrays destes tipos. Como os para nomes indicam, “ standard logic ” é direcionado a ser um tipo standard usado para descrever circuitos para síntese e simulação. Package Tipos de Dados STD_LOGIC_1164 STD_LOGIC_ARITH TEXTIO STANDARD VHDL Language Std_logic, std_logic_vector, std_ulogic Signed, unsigned File, Line Boolean, bit, character, time, string, bit_vector, natural, positive Integer, real 16

VHDL Características Marcantes



Arquitetura -



Estrutura e Principais Características Toda Arquitetura está associada a uma Entidade (é uma parelha).



Uma arquitetura descreve o funcionamento de uma entidade.



VHDL permite descrever o funcionamento do sistema usando vários estilos de arquitetura.

ARQUITETURA Declarações Declara sinais para comunicar entre sentenças concorrentes e entre sentenças concorrentes e portas da interface. Nem todas as arquiteturas contém todas as construções mostradas.

Blocos Sentenças concorrentes grupadas Atribuições a Sinais Computa valores e atribui-os a sinais Procedure Calls Invocam um algoritmo pré-definido SENTENÇAS CONCORRENTES Instanciação de Componentes Criar uma instância de outra entidade Processos Definem um novo algoritmo 17

VHDL Características Marcantes



Arquitetura Descrição Comportamental library

ieee;

use

ieee.std_logic_1164.all;

entity

comparador4

is port

( a, b :

std_logic_vector (3 downto 0); igual :

out

std_logic );

end

comparador4;

( Descrição Algorítmica ou High-Level ) architecture behavioral of

comparador4

is begin

comp:

process

(a, b)

begin if

a=b

then

igual <= “1”;

else

igual <= “0”;

end if; end process

comp;

end behavioral

;

4 4 a COMPARADOR4 igual b 1 18

VHDL Características Marcantes



Arquitetura Descrição Dataflow library

ieee;

use

ieee.std_logic_1164.all;

entity

comparador4

is port

( a, b :

std_logic_vector (3 downto 0); igual :

out

std_logic );

end

comparador4;

architecture dataflow of

comparador4

is begin igual <= ‘1’ when (a = b) else ‘0’; end dataflow; A arquitetura é “dataflow” porque ela especifica como os dados serão transferidos de sinal para sinal e de entrada para saída, sem o uso de sentenças sequenciais ( fora de process) ESCREVENDO DE OUTRA FORMA : library

ieee;

use

ieee.std_logic_1164.all;

entity

comparador4

is port

( a, b :

std_logic_vector (3 downto 0); igual :

out

std_logic );

end

comparador4;

4 4 a b COMPARADOR4 igual 1 architecture dataflow of

comparador4

is begin

igual

<= and not(a(0) xor b(0)) not(a(1) xor b(1)) and and end dataflow; not(a(2) xor b(2)) not(a(3) xor b(3)); 19

VHDL Características Marcantes



Arquitetura Descrição Estrutural 4 library

ieee;

use

ieee.std_logic_1164.all;

entity

comparador4

is port

( a, b :

std_logic_vector (3 downto 0); igual :

out

std_logic );

end

comparador4;

a(3:0) use

work.gatespkg.

all

;

architecture struct of

comparador4

is signal x : std_logic_vector (0 to 3); begin

u0 : xnor2

port map

(a(0), b(0), x(0)); u1 : xnor2

port map

(a(1), b(1), x(1)); u2 : xnor2

port map

(a(2), b(2), x(2)); u3 : xnor2

port map

(a(3), b(3), x(3)); u4 : and4

port map

(x(0), x(1), x(2), x(3),igual);

end struct; b(3:0) 4 a b COMPARADOR4 igual COMPARADOR4 a0 b0 a1 b1 a2 b2 a3 b3 1 igual 20

VHDL Características Marcantes



Modelando p/ Síntese x Modelando p/ Simulação



A linguagem VHDL possui diversas construções que são mais orientadas à simulação e à verificação do que à síntese .



Entender como um simulador VHDL processa o código ajuda a clarificar a semântica de algumas sentenças VHDL e assim permitir escrever código mais adequado.



Uma codificação não adequada ao objetivo final pode levar à frustração com relação às ferramentas de síntese e de simulação.



A princípio, o código VHDL usado para simulação e para síntese do circuito deveria ser o mesmo. No entanto, pode ser desejável para uma primeira simulação do sistema usar um código VHDL que não é sintetizável, mas que permite uma rápida codificação e simulação.

VHDL Características Marcantes



As noções de Atraso e Tempo de Simulação (1)

  

Embora VHDL seja similar a uma linguagem de programação procedural, ela possui diferenças marcantes. Entre estas diferenças estão a noção de atraso e o tempo de simulação (do ambiente de simulação).

Exemplo1:

processo_P1

: process

(a, b, c)

begin

x <= a

and

and c; end process; Este processo executará quando ocorrer uma mudança no valor dos sinais a, b ou c. A sentença x <= a and b and c sendo avaliada no tempo de simulação corrente Tc , é escalonada para atribuição a x , um atraso delta (



) no tempo de simulação Tc+



. O atraso



é infinitesimal e implica um (1) ciclo do simulador.

Exemplo2:

processo_P2

: process

(a, b, c)

begin

x <= a

and

after 5 ns; end process; No exemplo 2 x é escalonado para mudar, 5ns após mudança em a, b ou c.

O exemplo 1 é sintetizável e o exemplo 2 não é (usado para simulação).

VHDL Características Marcantes



As noções de Atraso e Tempo de Simulação (2) Processo P1 está escalonado para executar em Tc= 5ns Lista de Sensibilidades

Processo_P1

: process

(a, b, c)

begin

x <= ‘0’;

(a = b

c = ‘1’ )

then

x <= ‘1’;

end if; end process

Processo_P1; 

b c x NOTA: No gráfico da forma de onda, só a transição em ‘a’ dispara o processo. Embora em T=10ns, ‘c’ esteja em ‘1’, ele não dispara o processo P1 pois não transiciona. Em T=15ns c dispara mas avalia falso o if.

Tc=5ns x<= ‘0’ x <= ‘1’ 5ns x 10ns 15ns (‘0’,5ns (‘1’, 5ns +



) 23

VHDL Características Marcantes



O Modelo de Tempo com Eventos Discretos INICIALIZAÇÃO

•

Inicializar Sinais,

•

Tempo de Simulação=0

•

Executa cada módulo

•

Se resultam transições, elas são escalonadas Não Ocorreram Eventos em Sinais 1 o ESTÁGIO DE UM CICLO DE SIMULAÇÃO

•

Avança Tempo de Simulação para o primeiro tempo (mais cedo) em que haja transição escalonada.

•

Executa Todas as transições escalonadas para aquele tempo. Isto pode causar eventos ocorrerem > 2o estágio Executou Todos os módulos e há mais Transições Escalonadas Ocorreram Eventos em Sinais Ainda não Executou Todos os Módulos e há Transições Escalonadas 2 o ESTÁGIO DE UM CICLO DE SIMULAÇÃO

•

Todos os módulos que reagem a eventos do 1 o executados.

estágio são

•

Tais módulos normalmente escalonarão mais transições em seus sinais de saída.

Não há mais Transições Escalonadas FIM 24

VHDL Características Marcantes



A Noção de Sentenças Concorrentes u Quando estão fora de um process , a atualização dos sinais de uma arquitetura funciona de modo concorrente. A ordem de aparecimento e execução das sentenças não é importante.

Para mostrar que a ordem não importa, será executado do último para o primeiro entity

Test_sinais

is port

a, b, c, d:

( bit;

end

u, v, w, x, y, z:

buffer

Test_sinais; bit);

Ciclo Sim 1 ns



a b c architecture begin

z <=

not

y <= w

x <= u

end or

Arquitet_1 Test_sinais y; x; v; w <= u

and

v <= c

d; u <= a

and

v; b; Arquitet_1;

of is 2 3 4 5 000 000 100 200 200 200 200 200 300 300 300 300 300 400 +0 +1 +0 +0 +1 +2 +3 +4 +0 +1 +2 +3 +4 +0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 v w x y z u 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (‘0’, 0ns) (‘0’, 0ns) (‘0’, 0ns) (‘0’, 0ns) (‘0’, 0ns) v (‘0’, 0ns) (‘1’, 0ns+



) w INICIALIZAÇÃO x y z 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 25

VHDL Características Marcantes



Concorrência entre Processos e Sequenciamento dentro de Processos ARQUITETURA Sentença_1 Sentença_2 Processo_A execução sequencial Processo_B execução sequencial Dentro da Arquitetura as sentenças são concorrentes. Os processos são concorrentes entre si e com as sentenças.

Dentro dos processos as sentenças executam sequencialmente.

Processo_C execução sequencial NOTAS: 1 - Fora do processo os sinais mudam de estado na hora da atribuição (só esperam os delta infinitesimais da resolução das dependências para mudar de estado) 2 Dentro do processo os sinais só mudam de estado ao final do processo e não na hora da atribuição.

VHDL Características Marcantes



Drivers Múlltiplos e Funções de Resolução



VHDL não permite um sinal ter mais de um driver, a menos que tenha uma função de resolução associada.

architecture

ComErro

begin

y <= a

and

b; y <= a

; end

ComErro;

proj1

is ÚTIL PARA SIMULAR BARRAMENTOS a b y Função de Resolução (Resolve o Conflito): function calcula_valor (a, b : X01) return X01 is begin if a /= b then return ( ‘X’); - - se há conflito, sai ‘X’ else return (a); - - ou return(b) end a b a AND b a OR b y 0 0 0 0 0 0 1 0 1 X 1 0 0 1 X 1 1 1 1 1 SE FOSSE UM PROCESS, SERIA POSSÍVEL TER AS DUAS ATRIBUIÇÕES: processo_teste: process (a, b) begin

y <= a

and

- --

y <= a

; - end process

;

- este processo sequencial é sintetizável pois o sintetizador não gerará circuitos AND e OR como acima.

No instante corrente é atribuído ao sinal “y” o AND lógico de a e b.

No instante corrente + delta é atribuído ao sinal “y” o OR de a e b.

- a atribuição AND não importa pois o último valor que fica é o OR.

VHDL Características Marcantes



Hierarquía



Um projeto VHDL consiste de uma hierarquía de componentes conectados, compilados de arquiteturas comportamentais, dataflow ou estruturais.



É sempre muito útil esquematizar o sistema como sendo um conjunto de componentes (arquiteturas e/ou processos) que se comunicam através de sinais.

architecture S of COMPARE is signal I: bit; component XR2 port (X, Y : in bit; Z : out bit); end component; A B COMPARE U0 XR2 I U1 INV C Na arquitetura “T” abaixo, as declarações dos componentes estão num “package” chamado “xyz_gates” da biblioteca “work”.

component INV port (X : in bit; Z: out bit); end component; begin U0 : XR2 port map (A, B, I); U1 : INV port map (I, C); end S; Use work.xyz_gates.all; architecture T of COMPARE is signal I : bit; begin U0 : XR2 port map (A, B, I); U1 : INV port map (I, C); end T; 28

VHDL Características Marcantes



Packages - Exemplo: Package STANDARD



Contém Declarações de Tipos Compartilhados que foi compilada separado - tipos enumerados pré-definidos type Boolean is (FALSE, TRUE); type BIT is (‘0’, ‘1’); type CHARACTER is ( NUL, SOH, ….., ‘A’, ‘B’, ‘C’, …,’0’, ‘1’, ‘2’, ‘3’, ...., ‘}’, DEL); - tipos numéricos pré-definidos type INTEGER {REAL} is range implementation_defined; - tipo TIME pré-definido type TIME is range implementation_defined units fs; -- femtosecond ps=1000fs; -- picosecond ns=1000ps; -- nanosecond - - - - - - - - - - end units; subtipos numéricos pré-definidos subtype NATURAL is INTEGER range 0 to INTEGER’HIGH; subtype POSITIVE is INTEGER range 1 to INTEGER’HIGH; tipos array pré-definidos type STRING is array (POSITIVE range <>) of CHARACTER; type BIT_VECTOR is array (NATURAL range <>) of BIT; 29

VHDL Características Marcantes



Packages - Exemplo: Package TEXTIO - Definições de Tipos para TEXTIO type LINE is access STRING; type TEXT is file of STRING; type SIDE is (RIGHT, LEFT); ……………..

- um LINE é um ponteiro para uma string -- um arquivo de registros ASCII de tamanho variavel - para justificar dados de saída em campos -- Arquivos Texto Standard file INPUT: TEXT is in “STD_INPUT”; file OUTPUT: TEXT is out “STD_OUTPUT”; -- Rotinas de Entrada para Tipos Standard procedure READLINE (F: in TEXT; L: out LINE); procedure READ (L:inout LINE; VALUE: out BIT_VECTOR); - Rotinas de Saída para Tipos Standard procedure WRITELINE (F: out TEXT; L: in LINE); - procedure WRITE (L: inout LINE; VALUE: in BIT; JUSTIFIED: in SIDE:=RIGHT; FIELD: in WIDTH :=0); ………………… Predicados de Posição de Arquivo function ENDLINE (L: in LINE) return Boolean; function ENDFILE (F: in TEXT) return Boolean; 30

VHDL Características Marcantes



Sentenças Concorrentes: Executam ao mesmo tempo. Elas são:



Sentença Process

  

Sentença de Instanciação de Componente Sentença de Atribuição a Sinal Concorrente Relação : Exemplo: v <= (a and b and c) or d;

     

Atribuição Condicional a Sinal Usando : WHEN … ELSE



Exemplo: Y <= j when state = idle else k when state = first_state else l when others ; Atribuição Condicional a Sinal Usando : WITH…SELECT….WHEN



Exemplo: with state select X <= “0000” when “0010” when st0 or st1; - st2 and st3; st0 “or” st1 Y when st4; Z when others; Procedure Call Concorrente Sentença Gerar (Generate) para Instanciação de Componentes ou Equações:



Exemplo: G1: for I in 0 to 7 generate reg1: register8 port map (clock, reset, enable, data_in(I), data_out(I)); end generate G1; Sentença Block Sentença de Declarar / Reportar Concorrente (Assert / Report).

VHDL Características Marcantes



Sentenças Sequenciais Definem algoritmos para a execução de um subprograma ou processo.



Sentença If – then - else if (count = “00”) then a <=b; elsif (count = “10”) then a <=c; else a <=d;



end if; Sentença Case - when case count is when “00” => a <= b ; when “10” => a <= c;

         

when others => a <= d; end case; Sentença Exit Sentenças: For –Loop e While-Loop Sentença Next Sentença Null Sentença Procedure Call Sentença Return Sentença Wait Sentença de Atribuição a Sinal Sentença de Atribuição a Variável Sentença de Declarar / Reportar (Assert / Report) 32

Elementos Primitivos de VHDL

Tipos Escalares e Arrays Nomes e Objetos Expressões Atributos

VHDL



Apresentação Geral:



Informações prévias sobre a sintaxe (cont):



Separadores: os separadores utilizados são:

“ ; “ (ponto e vírgula, entre duas declarações ou ao fim de uma instrução).

“ , “ (vírgula, entre dois nomes de sinal dentro de uma mesma declaração).

“ : “ (dentro de uma declaração entre o nome de um objeto e seu tipo).

“ “ (espaço).



Espaços: o número de espaços entre duas palavras é indiferente, sempre que o mínimo seja respeitado.



Retorno carro : Uma mesma instrução ou declaração pode ser escrita em várias linhas consecutivas.

Os comentários podem ser inseridos ao final das linhas sem afetar a integridade do código.

VHDL



Objetos que se podem manipular em VHDL e seus tipos:



3 classes principais de objetos:



SINAIS : similares aos sinais encontrados nos esquemas Os “ports” declarados dentro de uma entidade são sinais. Podem ser declarados como “bus”. São definidos e utilizados dentro da arquitetura, mas dentro de um processo não podem ser definidos nem usados do lado direito de uma expressão. Só podem ser usados do lado esquerdo da expressão ( exemplo: sinal_a <= (X or Y) and Z;



CONSTANTES : permitem definir valores permanentes.



VARIAVEIS : utilizadas somente dentro dos “PROCESS” (instruções sequenciais). Não podem ser definidas nem utilizadas na arquitetura fora de um processo.



Uma declaração de objeto compreende:

 

CLASSE: sinal, constante ou variável.

NOME : à escolha do criador (exceto palavras reservadas).



MODO : (somente sinais) : in, out, inout, buffer.



TIPO : bit, bit_vector, boolean, integer ...

VHDL

 

Tipos de objetos que se podem manipular em VHDL: Tipos pré-definidos principais:



BIT : pode tomar o valor ‘0’ ou ‘1’.

(difere de Boolean pois não se pode tomar uma decisão(true/false) baseado num tipo bit).



BIT VECTOR : grupo de bits (bus).

O valor binário de um bit_vector é definido entre aspas duplas.

EXEMPLO:

signal A : bit_vector (7 downto 0); - begin o bit de maior peso (MSB) esstá à esquerda (bit 7 no exemplo)

A <= “01011010”; - - equivalente a: A <= X”5A”; - - X “valor” indica um valor hexadecimal.

VHDL

 

Tipos de objetos que se podem manipular em VHDL: Tipos pré-definidos principais (cont):



BOOLEAN:

Pode tomar os valores

TRUE

FALSE.



INTEGER : Valor inteiro codificado em 32 bits.

(de -2.147.483.648 a + 2.147.483.647)

Um inteiro pode estar limitado em sua declaração, a fim de evitar sua codificação em 32 bits . São subtipos de integer os tipos positive (1,2,3,…) e natural (0,1,2,…)

EXEMPLO:

signal VALOR_A : integer range 0 to 255; begin VALOR_A <= 143 when INIT = ‘1’ else 33; 37

VHDL

 

**Tipos de dados que se podem manipular em VHDL: STD_LOGIC e STD_ULOGIC: Extensões do tipo BIT,**

Podem assumir 9 valores diferentes

:

type STD_ULOGIC is ( ‘U’, -- Uninitialized ‘X’, -- Forcing Unknown ‘0’, -- Forcing 0 ‘1’, -- Forcing 1 ‘Z’, -- High impedance ‘W’, -- Weak unknown ‘L’, -- Weak 0 ‘H’, -- Weak 1 ‘-’); -- Don’t care (Extraído do código fonte do package “STD_LOGIC_1164”.)

 O tipo STD_LOGIC dá uma

maior potência operacional

para a simulação como para a síntese.

(particularmente os valores ‘z’ e ‘-’ para a síntese).

que o tipo BIT, tanto

VHDL



Tipos de objetos que se podem manipular em VHDL:



Tipo STD_LOGIC_VECTOR

 Grupo de objetos similar a BIT_VECTOR, mas com os 9 estados possíveis do STD_LOGIC para cada um dos 9 bits.

 Para utilizar estes tipos de dados (STD_LOGIC_VECTOR e STD_LOGIC), devemos declarar a utilização da biblioteca IEEE que contém o package particular (STD_LOGIC_1164), no cabeçalho do arquivo .vhd.

Library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_VECTOR_1164.all; 39

VHDL

 

Tipos de objetos que se podem manipular em VHDL: EXEMPLO de declaração da biblioteca IEEE, e do package STD_LOGIC_1164:

library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_164.all;

entitiy EXEMPLO is port (

A,B : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); SEL : in STD_LOGIC; MUX_OR : out STD_LOGIC);

end EXEMPLO; architecture ARCHI of EXEMPLO is . . . . .

VHDL



Tipos de objetos que se podem manipular em VHDL:



Tipos enumerados:

 Principalmente utilizados em síntese para definir os estados das máquinas de estado.

architecture ARCHI of MACHINE is . . . . .

- - parte declaratória da arquitetura

type ESTADOS is (REPOUSO, LEITURA, ESCRITA); signal ESTADO_ATUAL, ESTADO_SEGUINTE : ESTADOS;

- - os sinais ESTADO_ATUAL e ESTADO_SEGUINTE, poderão - - tomar os valores “REPOUSO”, “LEITURA” ou “ESCRITA”.

begin - atribuições

Enumeração de tipo !!

VHDL



Tipos de objetos que se podem manipular em VHDL:



Sub-tipos:

  subconjunto de um tipo predefinido ou declarado anteriormente Exemplo:

Byte não é palavra reservada !

subtype BYTE is STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0); signal A_BUS, B_BUS, SAIDA_A, SAIDA_B, SAIDA_C : BYTE; signal ENTRADA : STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0); constant K : BYTE := X”C8”;

begin

SAIDA_A <= A_BUS or K; SAIDA_B <= B_BUS and X”9C”; SAIDA_C <= ENTRADA; 42

VHDL



Regras de atribuição dos vetores de dados:



A ordem na qual se utiliza o vetor (bus) deve ser a mesma que na declaração do vetor.

(valores crescentes ou decrescentes dos índices) 

Não é necessário utilizar o vetor inteiro

(utilização de uma parte dos sinais em um bus).



A largura do bus (tamanho do vetor) deve corresponder para a maioria das operações.

(exceto para comparação).

VHDL



Regras de atribuição dos vetores de dados:

architecture ARCHI of VECTOR is -- parte declaratória da arquitetura

signal D_IN, MASCARA, D_OUT : std_logic_vector (7 downto 0); signal Q_OUT : std_logic_vector (7 downto 0); constant FIXA : std_logic_vector (2 downto 0) := “010”;

-- a atribuição de um valor a uma constante ou variável -- se realiza pelo símbolo “ :=“ -- de forma diferente da atribuição de sinais.

Begin

D_OUT <= D_IN and not (MASCARA);

--Todas as operações são de 8 bits

Q_OUT <= (D_IN(6 downto 2) and not (MASCARA (7 downto 3))) & FIXA;

- O sinal “&” é um operador chamado de concatenação end [ARCHI];

VHDL



Atribuição de valores a um objeto segundo seu tipo:



Inteiros:

signal A, S, T, U, V : integer range 0 to 255;

- - Base default : decimal

s <= A + 83; - - sem aspas

Especificação da base:

T <= 16#B3#; U <= 10#145#; V <= A - 2#010010110# -- Base Hexadecimal -- Base Decimal -- Base Binaria

- - equivalente a: -- V <= A - 2#0100_1010#; -- Com separadores p/ ficar + claro 45

VHDL



Atributos Simbólicos (1):



Um atributo provê informação sobre itens tais como entidades, arquiteturas, tipos e sinais.



Há diversos tipos pré-definidos de valor, sinal e range.



Tipos escalares tem atributos de valor, que são: ‘left, ‘right, ‘high, ‘low, e ‘length (pronuncia se as aspas simples como “tick”). Exemplo: type type

count

states

integer

range

(0 to 127); (idle, decision, read, write);

Entao tem se que: count’left = 0 ; states’high = write ; states’left = idle



Um atributo importante de sinal , muito útil em simulação e síntese, é: ‘event.

Ele retorna um valor booleano de “true” se um evento acabou de acontecer (transição). É utilizado principalmente para determinar se um clock transicionou. Exemplo:

if CK’event and CK=“1” -- transicionou de ‘0’ para ‘1’ 

Um atributo útil de range é: ‘range . Ele retorna o range de um objeto que possui limites. Exemplo: signal

word: std_logic_vector word

’range =

downto

(15 downto 0); 46

VHDL



Atributos Simbólicos(2):



Atributos de Sinais

 

ck’ event - sinal ck - Um valor booleano que indica se um evento ocorreu em ck saida’ stable (T) sinal saída e parâmetro T - Um sinal BOOLEANO que é verdade quando o sinal de referência não tem tido eventos por um temo T.



outros atributos (ver livros) .....



Atributos Relacionados a Arrays

   

VetA’ low VetA’ high VetA’ range retorna limite inferior da faixa de índice (se faixa 0 a 511, retorna 0) retorna limite superior da fiaxa de índice.

- retorna o range de um tipo particular.

Outros atributos (ver livros) ....



Atributos Relacionados a Tipos

  

NomeTipo’ succ(v) retorna o próximo valor no tipo após v.

NomeTipo’ pred(v) NomeTipo’ leftof(v) - retorna o valor anterior no tipo antes de v.

retorna o valor imediatamente à esquerda de v.



outros atributos (ver livros) ....

VHDL

Os operadores

VHDL



Operadores frequentemente utilizados em síntese:



Operadores lógicos pré-definidos



and, or, nand, nor, xor

e 

not

(NOTA: não há operadores “|”, “&” como em C

 Operam sobre todos os objetos de todas as classes (sinais, constantes, variáveis) e de tipo:  

bit bit_vector

 

std_logic, std_ulogic std_logic_vector, std_ulogic_vector



boolean

 Os operandos devem ser do mesmo tipo e conter o mesmo número de bits.

VHDL



Operadores frequentemente utilizados em síntese:



Operadores lógicos pré-definidos



Exemplo de utilização (1):

entity OPE is port (A, B, C : in bit; S : out bit); end OPE; architecture ARCHI of OPE is begin

S <= (A and B) and not (C);

end ARCHI;

VHDL



Operadores correntemente utilizados em síntese:



Operadores relacionais:



= (igual )



< (menor )



> (maior ) /= (diferente) <= (menor ou igual ) >= (maior ou igual )



Operam sobre objetos do tipo:

    

bit, bit_vector std_logic, std_logic_vector std_ulogic, std_ulogic_vector integer boolean



Os operandos devem ser do mesmo tipo, mas o número de bits comparados pode ser diferente ! 51

VHDL



Operadores correntemente utilizados em síntese:



Operadores relacionais: Comparação de vetores:



A comparação se faz comparando bit a bit os dois vetores començando pelo MSB.

Os resultados podem surpreender se os vetores não são do mesmo número de bits.

Exemplo:

signal REG : std_logic_vector (4 downto 0); signal CNT : std_logic_vector (3 downto 0); begin -- temos o direito de escrever : - REG CNT -- “01111” > “0100” -- resultado nada surpreendente -- “01111” - < “1000” --

resultado surpreendente

O MSB de CNT(bit3) é superior ao MSB de REG (bit 4), -- o vetor CNT é considerado como superior.

VHDL



Operadores correntemente utilizados em síntese:



Operadores aritméticos: + (soma) * (multiplicação) ** (potência) mod (subtração) / (divisão) rem abs

 Operam sobre objetos do tipo INTEGER (sem precisar declarar biblioteca aritmética especial), mas recomendamos transformar sempre os inteiros em vetores (std_logic_vector) e não usar multiplicação, nem divisão nem potência. O motivo é a baixa eficiência na implementação – gera um circuito muito grande.

 Podem igualmente operar sobre STD_LOGIC_VECTOR utilizando os pacotes STD_LOGIC_UNSIGNED e STD_LOGIC_ARITH do Synopsys. 

CUIDADO !!: Se declarar um vetor contador como std_logic_vector e fizer: “contador = contador + 1”, nao esquecer de declarar no início a biblioteca aritmética utilizada (use std_logic_arith.all por exemplo).

 Restrições: A maioria das ferramentas de síntese só autoriza as operações de multiplicação e divisão entre CONSTANTES, ou uma CONSTANTE potência de 2 e um SINAL.

VHDL



Altera provides several packages for use with MAX+PLUS II. All packages are located in subdirectories of the \maxplus2\vhdlnn directory, where nn is "87" or "93". These directories are created automatically during MAX+PLUS II installation. See the following table: File: Package: Library: Contents: maxplus2.vhd maxplus2 std1164b.vhd

lpm_pack.vhd lpm_components arith.vhd

arithb.vhd

std_logic_arith altera megacore.vhd megacore std1164.vhd

altera std_logic_1164 ieee lpm ieee signed.vhd

signedb.vhd

std_logic_signed ieee unsigned.vhd

unsignedb.vhd

std_logic_unsigned ieee MAX+PLUS II primitives, macrofunctions, and selected megafunctions supported by VHDL.

Pre-tested megafunctions consisting of several different design files.

Standard for describing interconnection data types for VHDL modeling, and the STD_LOGIC and STD_LOGIC_VECTOR types. MAX+PLUS II does not support the to_x01(), is_x(), to_x01z(), or to_ux01() functions in the std_logic_1164 package.

LPM megafunctions supported by VHDL.

SIGNED and UNSIGNED types, arithmetic and comparison functions for use with SIGNED and UNSIGNED types, and the conversion functions CONV_INTEGER, CONV_SIGNED, and CONV_UNSIGNED. MAX+PLUS II does not support the shl(), shr(), ext(), or sxt() functions in the std_logic_arith package.

Functions that allow MAX+PLUS II to use STD_LOGIC_VECTOR types as if they are SIGNED types.

Functions that allow MAX+PLUS II to use STD_LOGIC_VECTOR types as if they are UNSIGNED types.

NOTE: If you use more than one of these packages in a single VHDL Design File, you must use them in the order in which they are listed in this table.

VHDL

A Parelha Entidade - Arquitetura

VHDL



A parelha entidade / arquitetura :



Entidade :

Porção do código que permite definir em particular as Entradas e Saídas.



Exemplo:

Equivalência Esquemática entitiy EXEMPLO is port ( A,B : in bit_vector (7 downto 0); SEL : in bit ; MUX_OR : out bit ); SÍMBOLO EXEMPLO A [ 7 : 0 ] B [ 7 : 0 ] MUX_OR SEL end EXEMPLO; OBS: Dar preferencialmente o mesmo nome à entidade e ao arquivo VHDL (neste caso EXEMPLO.VHD).

VHDL



A parelha entidade / arquitetura :



Arquitetura :

Porção de descrição do comportamento do dispositivo a sintetizar.



Está associada a uma entidade Declaração da Entidade Declaração da Interface Corpo da Arquitetura Definição Funcional



architecture ARQUI of EXEMPLO is

- - parte declaratória

signal MUX_OUT : bit_vector (7 downto 0); - - sinal interno

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - parte operatória

begin - - Sentenças concorrentes e/ou Sequencias (processos)

- - o sinal

“<=“

é o símbolo de atribuição de um valor a um

MUX_OUT <= A when SEL = ‘0’else B; MUX_OR <= ‘1’ when MUX_OUT /= “00000000” else ‘0’; end [ARQUI]; sinal NOTA: As atribuiçõs a MUX_OUT e MUX_OR ocorrem concorrentemente !!

VHDL



A parelha entidade / arquitetura :



Arquitetura :

Informações complementares (1)



A parte declaratória pode conter:



Declarações de sinais

internos.

(que nao sejam I/Os) 

Declarações de componentes.

(gerência da hierarquía, VHDL estrutural).



Declarações de constantes.



Declarações de tipos de objetos.

(utilizados em particular para as máquinas de estado).



Declarações de sub-programas.

(funções e procedimentos).

VHDL



A parelha entidade / arquitetura :



Arquitetura :

Informações complementares (2)



O código operatório pode conter:



Atribuições concorrentes

de sinais

(os resultados de síntese e de simulação são independentes da ordem de escrita das instruções).

CÓDIGO RTL



Atribuições sequenciais:

Processos e/ou sub programas Na simulação a execução de instruções ocorre na ordem de escrita do código (sequencialmente).

Na síntese lógica, ou seja, na implementação, o mesmo comportamento é reproduzido.



Instanciação de “caixas pretas”. (componentes).

CÓDIGO ESTRUTURAL

O módulo sendo desenvolvido pode chamar a outros sub-módulos (gerência de hierarquía, VHDL estrutural).

VHDL



A parelha entidade / arquitetura :



Solução Completa :

Arquivo “EXEMPLO.vhd” entitiy EXEMPLO is port ( A,B : in bit_vector(7 downto 0); SEL : in bit; - - O símbolo “;” se utiliza como separador entre MUX_OR : out bit - - duas declarações de sinais e não deve ); - - aparecer depois do último símbolo declarado end [EXEMPLO]; architecture ARQUI of EXEMPLO is

- - parte delaratória

signal MUX_OUT : bit_vector (7 downto 0); - - sinal interno

- - parte operativa

begin MUX_OUT <= A when SEL= ‘0’ else B; MUX_OR <= ‘1’ when MUX_OUT /= “00000000” else ‘0’; end [ARQUI]; 60

VHDL - COMPONENT



O Componente é uma Estrutura que Referencia Diretamente uma Entidade e Possibilita a Instanciação e Replicação da Mesma sem a Necessidade de Descrevê-la Novamente.

ENTITY inv IS PORT ( e : IN bit; s: OUT bit); END inv; ARCHITECTURE inversor OF inv IS BEGIN s<= NOT e; END inversor; ENTITY yyy is PORT ( ------) END yyy; ARQUITECTURE xxx of yyy IS signal T : ----------- COMPONENT inv IS port (e: IN bit; s:OUT bit); END COMPONENT; BEGIN -- U1: inv PORT MAP (e=>a , s=> s1); U2: inv PORT MAP (e=> b, s=> s2); END ARCHITECTURE xxx; 61

VHDL – PACKAGE

 

Coleção de Tipos, Constantes, Subprogramas, agrupando Elementos Relacionados. Dividem se em:

 

Declaração Corpo



Corpo Pode Conter Definição de Procedimentos e Funções Declaração: PACKAGE cpu IS SUBTYPE byte IS bit_vector (7 DOWNTO 0); FUNCTION inc ( valor : integer) RETURN integer; END cpu; PACKAGE BODY cpu IS FUNCTION inc IS ( valor : integer) RETURN integer VARIABLE result : integer; BEGIN result := valor + 1; RETURN result; END inc ; END cpu ;



USO: LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; USE work.cpu.

ALL ; ENTITY xxx IS -------- END xxx; ARCHITECTURE yyy OF xxx IS BEGIN -------- PROCESS -------- VARIABLE reg: byte; pc <= inc (pc); -------- END PROCESS END ARCHITECTURE; NOTA: Se não declarar o package no início, aponta-se o caminho: VARIABLE reg : work.cpu.byte; pc <= work.cpu.inc (pc); 62

VHDL – Exemplo: PACKAGE e COMPONENT ARQUIVO: meu_package.vhd

library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; package meu_package is component nor2 port( a, b: in bit; sai: buffer bit); end component; end meu_package ; library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity nor2 is port ( a,b: in bit; sai: buffer bit); end nor2; architecture meu_nor2 of nor2 is begin sai <= a nor b; end meu_nor2; ARQUIVO: Tst_ff_SR.vhd

library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use work.meu_package.all; entity meu_ff_SR is port ( set, reset : in bit; Q, NQ : buffer bit); end meu_ff_SR; architecture Tst_FF_SR of meu_ff_SR is begin CI1: nor2 port map (reset, NQ, Q); CI2: nor2 port map (Q, set, NQ); end Tst_FF_SR; NOTA: OBSERVAR QUE AO DECLARAR O COMPONENTE NOR2 (esquerda) TIVEMOS QUE DECLARAR NOVAMENTE AS BIBLIOTECAS UTILIZADAS – FAZE-LO PARA TODOS OS COMPONENTES !!!!!

SUBPROGRAMA: FUNÇÕES Funções São Usadas para Computar Valores e não Para Mudar o Valor de Objetos Associados c/Parâmetros (não mudam sinais). Parâmetros devem ser do modo IN e da classe SIGNAL ou CONSTANT.

LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY mult4bits is port ( a, b: IN std_logic_vector (3 downto 0); s: OUT std_logic_vector (3 downto 0); END mult4bits; ARCHITECTURE arch_mult4bits of mult4bits IS FUNCTION deslocador (x:std_logic_vector (3 downto 0)) RETURN std_logic_vector IS VARIABLE y : std_logic_vector (3 downto 0); BEGIN for i in 3 downto 1 loop y(i) := x(i-1); end loop; y(0) := ´0´; return y; END; FUNCTION somador4bits( a:std_logic_vector (3 downto 0); b:std_logic_vector (3 downto 0)) RETURN std_logic_vector IS VARIABLE vaium: std_logic; VARIABLE soma: std_logic_vector(3 downto 0); BEGIN vaium := ´0´; FOR i IN 0 TO 3 LOOP soma(i) := a(i) xor b(i) xor vaium; vaium := (a(i) and b(i) ) or (b(i) and vaium) or (vaium and a(i)); END LOOP; RETURN soma; END; BEGIN PROCESS (a, b) VARIABLE --- BEGIN -- BEGIN da ARQUITETURA ----------- aux1 := deslocador (aux1); ----------- aux2 := somador4bits (aux1, b); ----------- END PROCESS; END arch_mult4bits; 64

SUBPROGRAMA: PROCEDURES Procedures Podem Trocar os Valores de Objetos Associados c/Parâmetros Formais (podem trocar sinais de valor). Parâmetros Podem ser do modo IN, OUT e INOUT. LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY mult4bits is port ( a, b: IN std_logic_vector (3 downto 0); s: OUT std_logic_vector (3 downto 0); END mult4bits; ARCHITECTURE arch_mult4bits of mult4bits IS PROCEDURE deslocador ( SIGNAL x: IN std_logic_vector (3 downto 0); SIGNAL y: OUT std_logic_vector (3 dwonto 0) IS BEGIN for i in 3 downto 1 loop y(i) <= x(i-1); end loop; y(0) <= ´0´; END; ----------------- O SOMADOR4BITS é semelhante ao caso de Funcao ----------------- BEGIN END arch_mult4bits; -- BEGIN da ARQUITETURA ----------- deslocador (ent1(3 downto 0), sai1 (3 downto 0); ----------- somador4bits (A (3 downto 0), B (3 downto 0), SOMA (3 downto 0)); ----------- 65

VHDL

Instruções, Sentenças e Procedures Concorrentes

        

Instrução When ….Else

Instrução With ….. Select Instrução For i in ….. Generate Sentença Process Sentença de Instanciação de Componente Procedure Call Concorrente Sentença de Atribuição a Sinal Concorrente Sentença Block Sentença de Declarar / Reportar Concorrente (Assert / Report).

VHDL



Instruções concorrentes:

As operações se efetúam ao mesmo tempo (em paralelo).

  

A ordem de escrita do código VHDL não afeta o resultado da síntese ou da simulação O estilo de escrita é comparável às linguagens de programação de PALs ou Linguagens Declarativas (equações lógicas).

Exemplo de atribuições simples: (equações)

entity CONCURRENT is port (A, B, C : in bit; S, T : out bit); end CONCURRENT; architecture ARCHI of CONCURRENT is begin

S <= (A and B) and not (C); T <= B xor C; Não precisava ter este nome

-- a ordem da atribuição de S e de T é indiferente.

end ARCHI;

VHDL



Instruções concorrentes:

 

Atribuição de sinais por condição: WHEN ... ELSE



Sintaxe:

 signal_x <= valor_x

when

signal_y = valor_y

else

valor_z;

Notar que valor_z é indicado diretamente depois de “else”. (O símbolo de atribuição “<=“ é aqui implícito).

Exemplo:

entity LOGICA1 is port (A, B, C : in bit; S, T : out bit); end LOGICA1; architecture ARCHI of LOGICA1 is begin

S<= A when C=‘1’ else B; -- SINTETIZA COM MUX 2:1 !!

T <= not B;

end ARCHI;

As duas instruções são concorrentes e geram =>

A B C 1 M U 0 X S B T 68

VHDL



Instruções concorrentes:



Atribuição de sinais por condição: WHEN ... ELSE

entity BUFFER_BUS_TRISTATE is port (A, B : in std_logic_vector (15 downto 0); C : in std_logic; S : out std_logic_vector (15 downto 0)); end BUFFER_BUS_TRISTATE; architecture ARCHI of BUFFER_BUS_TRISTATE is begin S <= A when C = ‘1’else “ZZZZZZZZZZZZZZZZ”; -- SINTETIZA COM S <= B when C = ‘0’else “ZZZZZZZZZZZZZZZZ”; -- BUFFER 3-STATE end ARCHI;

As duas instruções são concorrentes e geram =>

B[15:0] C S[15:0] A[15:0] 69

VHDL



Instruções concorrentes:



Atribuição de sinais por seleção: WITH ... SELECT



Exemplo:

architecture ARCHI of SELETOR_SINAIS is begin

with SEL select S <= A when “00”, -- SINTETIZA COM CIRCUITO MUX N:1 B when “01”, -- OU TAMBÉM CHAMADO SELETOR C when “10”, T <=

end ARCHI;

D when others; not B; A B C D SEL [1:0] 00 01 10 Outros casos S B T 70

VHDL



Instruções Concorrentes:



Instrução de Loop: FOR i IN ... GENERATE : Sintaxe: LABEL : for I in inteiro_a to inteiro_b generate - - instruções concorrentes end generate; A utilização de um LABEL é obrigatória.

LABEL1 : for I in 0 to 15 generate S(I) <= A(I) when C = ‘0’ else ‘Z’; S(I) <= B(I) when C = ‘1’ else ‘Z’; end generate ; RANGE é um atributo pré-definido em VHDL. Código genérico, independente da largura do bus. Portabilidade, re uso, evolução LABEL1 : for I in S’range generate S(I) <= A(I) when C = ‘0’else ‘Z’; S(I) <= B(I) when C = ‘1’else ‘Z’; end generate; B[15:0] C A[15:0] S[15:0] 71

VHDL



Exercício:

BUS_A[3:0] BUS_B[3:0] SEL_MIN A B 1 0 Mux Lógicos A < B (when ... Else) MUX 2:1 1 0 MUX 2:1 Comparador (when ... Else) A_MIN (Declarado em modo OUT) a f e g d b c Multiplexor tri-state (for I in ... Generate) MIN[3:0] MAX[3:0] VAL[3:0] D E C O D E R Decodificador 7 segmentos (with ... Select) (sinal interno) DISPLAY[6:0] 6 5 4 3 2 1 0 A B C D E F G 72



Exercício:

library ieee; use ieee.std_logic.1164.all; entity COMPARADOR_DISPLAY is port ( -----; end COMPARADOR_DISPLAY;

VHDL

architecture AQUITETURA of .... Is signal .....

Signal .....

---- ---- VALOR1 : for I in .... generate ------- end generate; with VAL select DISPLAY <= “0000001” when x”0”, ------ “0000000” when others; A <= ......; ------------; end ARCHI; 73

VHDL

Instruções Sequenciais

Algumas Características de Processos

VHDL



Instruções Sequenciais: noção de PROCESSO



Um PROCESSO é uma parte do código onde as instruções executam em sequencia (na ordem em que são escritas), mas uma variável ou sinal só armazenará o último valor atribuído.



Uma mesma arquitetura pode conter diversos PROCESSOS.



Todos os processos executam em paralelo. (um PROCESSO é equivalente a uma instrução concorrente complexa).



O conjunto de instruções utilizáveis dentro de um processo é diferente do conjunto de instruções concorrentes.



A ordem de escrita das instruções afeta os resultados da simulação e da síntese.

VHDL



Instruções sequenciais: As operações se efetuam em sequência.

  

A ordem afeta os resultados de simulação e de síntese.

Estilo de escrita parecido às linguagens de alto nível de informática.

As instruções sequenciais se utilizam em partes específicas do código: PROCESS ou subprogramas.



Exemplo:

architecture ARCHI of SEQUENCIA is begin

process begin wait until CK’event and CK=‘1’; if ENA = ‘1’ then COUNT <= COUNT +1; end if; end process;

end ARCHI;

VHDL



Instruções sequenciais: noção de PROCESS



Implementação de:

  

Lógica combinatória (processo combinatório).

Lógica síncrona (processo síncrono).

Lógica síncrona com inicialização assíncrona.

 

Em simulação, um process diz-se dormindo até que os sinais suscetíveis de ativá-lo troquem de estado.

Lista dos sinais Estrutura geral de um process: podendo provocar uma reavaliação do valor dos sinais atribuídos Label opcional no Process [Label:] process (lista_de_sensibilidades) -- parte declaratória -- declaração eventual de variáveis begin -- parte operatória -- instruções sequenciais (if, case, loop ...) end process; 77

VHDL



Metodologia de uso dos PROCESS em síntese:

A A A S B D Q S B C B T C C C D Q T D D D U C CK CK Reset Process (A, B, C, D) - process combinatório begin if (A=‘1’ and B=‘0’) then ....

Process (CK) - process sincrono begin if CK’event and CK=‘1’ then if (A=‘1’and B=‘0’ then ...

D S Q C D C R Q S T Process (CK, Reset) - process sincrono - - com iniciação - - assíncrona begin if Reset =‘1’then S <= ‘1’; T <= ‘0’; elsif CK’event and CK=‘1’ then if (A=‘1’ and B=‘0’) then ...

VHDL



Incoerências de projeto de hardware

A (suportadas pela linguagem VHDL) B A D Q S C B C D C D D C Q T Não podem estar na lista de sensibilidade !!

CK INIT CK Process (CK,A,B,C,D) -- processo sincrono begin if CK’event and CK=‘1’ then if (A=‘1’ and B=‘0’ then ...

D S Q C D C R Q S T Process (CK,INIT,A,B,C,D) - - process sincrono - - com iniciação - - assíncrona begin if INIT =‘1’then S <= ‘1’; T <= ‘0’; elseif CK’event and CK=‘1’ then if (A=‘1’ and B=‘0’) then ...

VHDL



Instruções Sequenciais : Noção de PROCESS.



Processos combinatórios :



Exemplo: MUX : process (A, B, SEL) -- lista de sensibilidades

-- parte declaratória não usada neste exemplo

begin if SEL = ‘0’ then SAIDA <= A; else SAIDA <= B; end if; end process; Os sinais tratados dentro deste tipo de process são puramente combinatórios (não se faz nenhuma referência à detecção do flanco de troca (subida ou descida) do relógio.

A lista de sensibilidades contem todos os sinais que podem causar uma atividade no processo . A parte declaratória pode conter variáveis será visível dentro do process em que está declarada.

e só 80

VHDL



Instruções Sequenciais : Noção de PROCESS.



Processo síncrono simples : (sem iniciação assíncrona)



Exemplo: process

-- sem lista de sensibilidades neste caso !!!

begin wait until (CK’event and CK=‘1’); COUNT <= COUNT + 1;

-- isto só é legal se a biblioteca -- std_logic_unsigned for declarada

end process;



O sinal COUNT (std_logic_vector) será construído por flip-flops.



Nenhum sinal tratado neste process pode ser combinatório pois estará sempre sendo analisado na subida do clock.



Não há lista de sensibilidades (Usa-se Wait ) a única condição que provocará uma troca de estado será o flanco de subida do relógio (CK).

VHDL



Instruções Sequenciais : Noção de PROCESS.



Processos síncronos com iniciação assíncrona



Exemplo:

[LABEL]:

process(CK, RST)

-- lista de sinsibilidades

begin if RST = ‘1’then COUNT <= “0000”;

-- ação assíncrona ao CK

elsif (CK’event and CK=‘1’)then COUNT <= COUNT + 1; end if;

-- ação síncrona com CK

end process

[LABEL

];



A lista de sensibilidades contém o sinal de relógio e sua iniciação assíncrona. Neste caso, a condição assíncrona tem prioridade (IF RST=‘1’) e o flanco do relógio não se leva em conta se a condição de iniciação é verdadeira.

VHDL



PROCESS e conjunto de instruções sequenciais



Variáveis e sinais: Exemplo sobre os sinais: entity SIG is port (A, B, C, CK: in std_logic; S, T: out std_logic); end SIG; architecture ARCHI of SIG is signal TMP : std_logic; begin process A C CK D C D C D begin wait until CK’event and CK=‘1’; TMP <= A or B; -- esta linha será ignorada C S <= TMP; TMP <= A and C; -- anula a atribuição precedente T <= TMP; -- ao sinal TMP.

end process; Q Q Q end ARCHI; TMP T S 83

VHDL



PROCESS e conjunto de instruções sequenciais



Variáveis e sinais: Exemplo utilizando uma variável: entity VARI is port (A, B, C, CK: in std_logic; S, T: out std_logic); end VARI; architecture ARCHI of VARI is begin process A B A C CK D C D C Q Q variable TMP : std_logic; begin wait until CK’event and CK=‘1’; TMP <= A or B; -- esta linha será efetiva S <= TMP ; -- para a atribuição do sinal S TMP <= A and C; -- esta o será T <= TMP ; -- para a atribuição do sinal T end process; end ARCHI; S T 84

VHDL

Instruções Sequenciais

           

Sentença Sentença If Case Sentença For-Loop Sentença While-Loop Sentença Next Sentença Null Sentença Procedure Call Sentença Return Sentença Wait Sentença de Atribuição a Sinal Sentença de Atribuição a Variável Sentença de Declarar / Reportar (Assert / Report) 85

VHDL

PROCESS e conjunto de instruções sequenciais



Instruções sequenciais frequentemente utlizadas



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF; Similar à atribuição de sinais por condição.



CASE … END CASE; Similar à atribuição de sinais por seleção.



FOR … LOOP END LOOP; Similar à instrução FOR … GENERATE.

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

IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Exemplo: signal A, B, C, D : std_logic_vector (7 downto 0); signal SEL : std_logic_vector (1 downto 0); signal MUX : std_logic_vector (7 downto 0); BLABLA : process (A, B, C, D, SEL)

-- rótulo BLABLA -- parte declaratória não utilizada neste exemplo

begin if elsif SEL = “00” then MUX <= A; SEL = “01” then MUX <= B; elsif SEL = “10” then MUX <= C; else end if; end process; MUX <= D; 87

VHDL



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Mais Exemplos:

process (A, B, C, D, SEL) begin if SEL=“00” then MUX <= A; else if SEL = “01” then MUX <= B; else if SEL = “10” then MUX <= C; end if; end process; else MUX <= D; end if; end if; process (A, B, C, D, SEL) begin if SEL = “00” then elsif SEL = “01” then MUX <= A; MUX <= B; elsif SEL = “10” then MUX <= C; else end if; -- Um só “end if” !!!

end process; MUX <= D; 88

VHDL



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Mais Exemplos:

end process; MUX <= D; 89

VHDL



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Resultados de síntese:

D 0 “10” SEL[1:0] C CMP = 1 “01” SEL[1:0] B CMP = 0 0 1 “00” SEL[1:0] A CMP = 1 MUX 90

VHDL



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Exemplo 3 : Utilização do Clock_Enable dedicado (com wait until): architecture ARCHI of SEQUENCE is begin process begin wait until CK’event and CK = ‘1’; if ENA = ‘1’ then COUNT <= COUNT + 1; end if; end process; end ARCHI; Utilização do Clock Enable dedicado dos FF Xilinx

-- se ENA /= ‘1’, o processo pode ser ativado pelo flanco -- do relógio, mas se a condição

if ENA = ‘1’

não é verdadeira -- o último valor de COUNT será conservado.

-- Este estilo de escrita garante o uso do Clock_Enable -- dos flip-flops FPGAs Xilinx, e permite por isso uma -- economia substancial de elementos de lógica combinatória, -- e de aumento da frequência de funcionamento.

VHDL



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Exemplo 3b : Utilização do Clock_Enable dedicado (if CK’event ...): architecture ARCHI of SEQUENCE is begin process (CK) begin if CK’event and CK = ‘1’ then if ENABLE = ‘1’ then COUNT <= COUNT + 1; end if; end if; end process; end ARCHI; Utilização do Clock Enable dedicado dos FF Xilinx 92

VHDL



IF … THEN … ; [ELSIF … THEN … ]; [ ELSE …]; END IF;



Cuidado com os riscos de inserção de lógica combinatória nos caminhos do relógio !

D EC CK D C Q Q Process (CK, EC) begin if (CK’event and CK = ‘1’ and EC = ‘1’) then Q <= D; end if; end process; 93

VHDL



CASE ... END CASE: Instruções que permitem revisar todos os valores possíveis de um sinal.

Exemplo: Process (A, B, C, D, SEL) begin case SEL is when “00” when “01” when “10” when others end case; end process; => MUX <= A; => MUX <= B; => MUX <= C; => MUX <= D; “00”, ”01”, ”10” SEL [1:0] D C B A Decodificação de valores others “10” “01” MUX “00” -- When others permite citar no final todos os outros -- casos possíveis que não foram citados anteriormente -- O símbolo “=>”’é interpretado como “portanto”.

VHDL



IF ... END IF e CASE ... END CASE:

Mistura de IF e de CASE.

Exemplo:

Process (FASE, AÇÃO) begin case FASE is when “00”=> if AÇÃO = “00” then elseif AÇÃO = “10” then else end if; when “01” => if AÇÃO = “00” then else end if; when others => SAIDA <= “000”; end case; end process; SAIDA <= “010”; STATUS <= “01”; SAIDA <= “011”; STATUS <= “01”; SAIDA <= “000”; STATUS <= “00”; SAIDA <= “100”; STATUS <= “10”; SAIDA <= “101”; STATUS <= “00”; STATUS <= “00”; 95



FOR …. LOOP: Exemplo: Meu_For_Loop: for i in 3 downto 0 loop if reset(i) = ‘1’then data_out(i) := ‘0’; end if; end loop Meu_For_Loop;

VHDL



WHILE ….. LOOP: Exemplo: count:= 16; Meu_While_Loop: While (count > 0) loop count := count -1; result <= result + data_in; end loop Meu_While_Loop; 97

VHDL

Os Sub-programas Funções e Procedimentos

VHDL



Funções:



Sub-programa podendo ser chamado uma ou varias vezes pelo programa principal. Permite organizar o código separando as partes repetidas.



Uma função deve ser declarada antes de ser utilizada.



Necessita um ou mais parâmetros de entrada e regressa um valor.



Exemplo:

function BOOL_TO_BIT ( A: in boolean) return STD_LOGIC is begin if A then return ‘1’; else return ‘0’; end if; end BOOL_TO_BIT; PALAVRA RESERVADA !!

VHDL



Funções:

 

As funções usam o conjunto das instruções sequenciais.

Os parâmetros (entradas) da função são inteiramente genéricos. Ex: function COISA ( ABUS: in std_logic_vector) return boolean is ...

     

Variáveis locais podem ser declaradas As variáveis declaradas dentro de uma função são reinicializadas a cada chamada.

As funções podem ser declaradas dentro da parte declaratória da arquitetura ou dentro de um package.

Utilizadas para efetuar as conversões de dados (e.g.: std_logic_vector para inteiro), ou operações lógicas e aritméticas diversas.

Os operadores “+”, “-”, “=“, … são definidos por funções As funções podem ser redefinidas (sobrecarregadas) com o fim de, por exemplo, serem aplicáveis a tipos de dados não previstos inicialmente. Por exemplo:

O package STD_LOGIC_UNSIGNED redefine os operadores aritméticos e relacionais para serem aplicáveis ao tipo STD_LOGIC_VECTOR.

100

VHDL



Funções: Exemplo de sobrecarga de funções

(operador “+” para somas entre STD_LOGIC_VECTOR e inteiros) function “+” (A : std_logic_vector; B : integer) begin INT_A := 0; end loop; end if; end; return std_logic_vector is variable INT_A : integer range 0 to ((2**(A’high+1))-1); variable STD_OUT : std_logic_vector (A’range); for I in A’range loop if A(I) = ‘1’ then INT_A:=INT_A + 2**I; else INT_A:=INT_A; end if; -- este loop converte o vetor para inteiro INT_A := INT_A + B; -- soma de 2 inteiros for J in A’reverse_range loop if INT_A rem 2 = 1 then STD_OUT(J):=‘1’; else STD_OUT(J):=‘0’; INT_A := INT_A / 2; end loop; -- conversão do int. INT_A em std_logic_vector return STD_OUT; -- o valor retornado é um std_logic_vector 101

VHDL



Procedimentos:



Sub-programa que pode ser chamado uma ou varias vezes desde o programa principal.



Um procedimento pode ter como parâmetros objetocs em modo in, out ou inout.

(como um “component”, mas o tamanho dos parâmetros sempre é genérico).



Os procedimentos usam o conjunto de instruções sequenciais.



Variáveis locais podem ser declaradas e estarão reiniciadas a cada chamada do procedimento.

102

VHDL



Procedimentos: Exemplo 1:

library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.all; entity PROCED is port (A, B : in STD_LOGIC_VECTOR (9 downto 0); SAIDA : out STD_LOGIC_VECTOR (9 downto 0)); end PROCED; architecture ARCHI of PROCEDU is procedure MIN (signal L, M : in STD_LOGIC_VECTOR; signal S : out STD_LOGIC_VECTOR) is begin begin if L < M then S<=L; else S<=M; end if; end MIN; MIN (A, B, SAIDA); end ARCHI; Especifícação da classe de objeto (Sinais e constantes) Chamada Declaração de Procedimento 103