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VHDL
INTRODUCCION
Se estudiará como VHDL es usado en proyectos de diseño.
Se analizarán las aplicaciones de VHDL y los diferentes estilos para usar el lenguaje.
Se aprenderán sus elementos básicos, sus ventajas y sus desventajas.
Se discutirán los principales conceptos del lenguaje y los principales constructos.
DEFINICION
VHDL es un doble acrónimo: Very High Speed Integrated Circuit. Hardware Description Languaje.
Fue desarrollado a principios de los 80´s para el departamento. de los EEUU, como una implementación, realizada por computadora para describir sistemas electrónicos.
En 1987 es Estandarizado por la IEEE (Std 1076)
1993: Una nueva versión fue definida. Para los constructos comúnmente usados hay pocas
diferencias entre las dos versiones.
VHDL permite
VHDL como lenguaje de alto nivel permite:
1. El modelado de ensambles electrónicos complejos.
2. La simulación de los modelos de componentes.
3. La síntesis lógica.
4. La portabilidad entre herramientas de síntesis y entre arquitecturas.
VHDL permite
Definir los “ports” de entrada y salida del conjunto lógico descripto (entity).
Definir una arquitectura usando el juego de instrucciones soportado por las herramientas de síntesis (escritura RTL).
Unir los diferentes módulos descritos separadamente (VHDL estructural)
EL PROCESO DE DISEÑO ELECTRONICO
LIMITACIONES
VHDL es principalmente un lenguaje para diseño digital. Actualmente tiene capacidades muy limitadas en el área analógica, pero existen trabajos para crear una versión analógica del lenguaje.
El estándar 1076 define un estándar y su sintaxis, sin describir ningun “estilo” para usarlo en un diseño. Hay otros estándares que usan, o que requieren definir un “estilo” antes de usar el lenguaje en ciertas áreas.
VENTAJAS
Notación formal: permite su uso en cualquier circuito electrónico.
Disponibilidad pública: no esta sometido a una patente o fábrica.
Independencia Tecnológica: soporta varias tecnologías de diseño y distintas funcionalidades.
Capacidad descriptiva: Permite el diseño en varios niveles de abstracción
Reutilización de Código: Sin importar la tecnología (CMOS, Bipolar, etc.) o la implementación (FPGA, PLD, etc.)
SOPORTE PARALENGUAJE DE SINTESIS
Solo es posible sintetizar lógicamente desde un subgrupo del lenguaje de VHDL. Cada compañia tiene su herramienta que tienen su propio subgrupo ligeramente distinto de los demás.
SINTAXIS
Los archivos VHDL llevan la extensión “----.VHD Minúsculas y mayúsculas no son diferenciadas en VHDL. Un objeto puede
ser indiferentemente llamado: MODULE, Module, moDulE o module
Lo mismo ocurre con las palabras clave. Los comentarios pueden ser colocados en cualquier lugar dentro del
código. Ellos no afectan en nada los resultados de síntesis
ni de simulación.
EJEMPLO:
- - este es un comentario
archtecture ARCHI of EJEMPLO is -- este también
begin
Los archivos VHDL llevan la extensión “----.VHD”
SINTAXIS Separadores: los separadores utilizados son: “ ; ” (Punto y coma, entre dos declaraciones o al fin de una
instrucción). “ , “ (coma, entre dos nombres de señal dentro de una misma
declaración). “ : “ (dos puntos, dentro de una declaración entre el nombre de
un objeto y su tipo). “ “ (espacio). El número de espacios entre dos palabras es indiferente, siempre que el
mínimo sea respetado. Retorno carro: Una misma instrucción o declaración puede ser escrita
en varias líneas consecutivas. Los comentarios pueden ser insertados al final de las líneas sin
afectar la integridad del código. A_IN, B_IN : in bit; - -puede también escribirse : -- A_IN, --B_IN : in bit;
CONCEPTOS
SINTESIS
Proceso de transformar instrucciones lógicas de software en circuitos hardware que desarrollen estas instrucciones.
ABSTRACCION
Cada abstracción define los detalles del diseño especificados en una descripción particular de el.
Los diferentes estilos de escribir código VHDL tienen que ver con la abstracción.
NIVELES DE ABSTRACCION
1. LAYOUT: Especifica información acerca de la verdadera implementación del diseño en silicio.
2. LOGICO: se interconectan compuertas lógicas y registros.
3. RTL: (transferencia de registros):se define cada registro en el diseño, y la lógica entre ellos.
4. COMPORTAMIENTO: describe la función del diseño, sin especificar la arquitectura de los registros.
SENTENCIAS
CONCURRENTES
ocurren en paralelo
SECUENCIALES
se ejecutan una después de la otra.
FUNCION Es una rutina que hace una tarea particular. Cuando el programa pasa el control a una función.
Ésta realiza la tarea y devuelve el control a la instrucción siguiente a la que llamo.
Ejecutan esta tarea utilizando valores específicos, denominados argumentos, en un orden determinado.
Los argumentos pueden ser números, texto, valores lógicos como VERDADERO o FALSO, matrices, valores de error (con #N/A ) o referencias de celda.
El argumento que se designe deberá generar un valor válido para el mismo. Los argumentos pueden ser también constantes, fórmulas u otras funciones.
PRODECIMIENTO
Su interés radica en las acciones que se realizan durante su invocación.
Siempre se invocan de forma aislada. Ejemplo: println(...)
Éste siempre se invoca en forma aislada. Las acciones que realiza la invocación de println
consisten en desplegar en pantalla el argumento que recibe. Es ilegal escribir asignaciones como:
x= println( ... ); porque println no retorna ningún valor.
DIFERENCIA ENTRE PROCEDIMIENTO Y FUNCION
La diferencia entre un procedimiento y una función es que la función regresa al termino de la ejecución un valor específico
PROCESO
El proceso es una parte del código VHDL dentro del cual las sentencias se ejecutan en secuencia. Un proceso existe dentro de una arquitectura, y múltiples procesos interactúan unos con otros de manera concurrente.
Hay procesos: combinatorios sÍncronos
PROCESO
Un proceso es una parte de código en la cual las instrucciones se ejecutan en secuencia.
Una arquitectura puede contener varios proceso . Todos los proceso se ejecutan en paralelo.
El orden de escritura de las instrucciones afecta los resultados de simulación y síntesis.
Sintaxis del Proceso
Mux: process (A,B,SEL) begin if SEL = '1' then Z <= A; else Z <= B; end if;
end process MUX;
Sentencias secuenciales
Etiqueta Lista de sensitividad
Eventos en la lista de sensibilidad
Un proceso no se ejecuta continuamente, el proceso empieza a ejecutarse cuando una de las señales en su lista de sensibilidad cambia de valor o, en el lenguaje VHDL tiene un evento.
Mux: process (A,B,SEL)begin if SEL = '1' then Z <= A;else Z <= B;end if;end process MUX;
Múltiples procesos concurrentes
Mientras que cada proceso ejecuta sus sentencias en secuencia, múltiples procesos interactúan con los demás de manera concurrente al producirse un evento en las señales de la lista de sensibilidad.
Proceso Proceso
Proceso
Múltiples procesos en una arquitectura
architecture A of E is begin -- Sentencias Concurrentes P1: process begin -- Sentencias Secuenciales end process P1; -- Sentencias Concurrentes P2: process begin -- Sentencias Secuenciales end process P2;
-- Sentencias Concurrentes end A;
Proceso 1
Proceso 2
Ejecución de procesos
Cuando estas 2 señales son concurrentes, definen 2 drivers sobre la señal Z.
Concurrente: 2 drivers
architecture CONCURRENT of MULTIPLE is signal Z,A,B,C,D: std_logic; begin
Z <= A & B;Z <= C & D;
end CONCURRENT;
?
AB
CD
Z
Ejecución de procesos
Cuando estas 2 señales son secuenciales, el valor con el cual la señal es actualizada es el último valor que se le asigna durante el proceso de ejecución.
Secuencial: 1 driver, última asignación
architecture SEQUENTIAL of MULTIPLE is signal Z,A,B,C,D: std_ulogic; begin process (A,B,C,D) begin
Z <= A & B;Z <= C & D;
end process; end SEQUENTIAL ;
CD Z
Señal actualizada cuando el proceso se suspende
Las señales asignadas dentro de un proceso son actualizadas hasta cuando el proceso termina y queda suspendido.
architecture SEQUENTIAL of MULTIPLE is signal Z,A,B,C,D: std_ulogic; begin process (A,B,C,D) begin
Z <= A & B;Z <= C & D;
end process; end SEQUENTIAL ;
Noción de process
Un process es una parte de código en la cual las instrucciones se ejecutan en secuencia.
Una arquitectura puede contener varios process .
Todos los process se ejecutan en paralelo. El orden de escritura de las instrucciones
afecta los resultados de simulación y síntesis.
Implementación de Procesos
Lógica combinatoria. Lógica sincrónica. Lógica sincrónica con inicialización asincrónica.
Procesos dormidos, se les llama así a los procesos mientras las señales que los activan no cambian su estado.
Estructura de Proceso
[ etiqueta: ] process ( lista de sensibilidad )-- declaraciones
-- variables eventualesBegin
-- parte operatoria-- instrucciones secuenciales -- (if, case, loop)
End process;
Lista de sensibilidad, cambia la asignación de señales asignadas en el proceso.
Metodología de Procesos.
Lista de sensibilidad consistente. Dominación de comportamiento e implementación de
la lógica. Diseños sintetizados, sin asincronismos.
Proceso Combinatorio
[ etiqueta: ] process ( lista de sensibilidad )-- declaracionesBegin
-- instrucciones secuenciales -- (if, case, loop)
End process [ etiqueta];
• Lista de sensibilidad con señales que activan el proceso.• Parte declaratoria que puede contener variables.• Variable con ámbito de proceso.
Ejemplo Combinatorio.
Mux: process (A, B,SEL )
Begin
if SEL=‘0’
then SALIDA<=A;
else SALIDA<=B;
end if;
End process;
Estructura Proceso Síncrono
[ etiqueta: ] process -- declaracionesBegin
wait until (CK’ event and CK=‘1’); End process [etiqueta];
• El flanco de subida provoca el cambio en el estado.• wait until evalúa la condición.
Ejemplo síncrono.
ProcessBegin
wait until ( CK’ event and CK=‘1’ );COUNT <= COUNT + 1;
End process;
• COUNT es construida por flip flops• No debe haber señales combinatorias.
Proceso Síncrono
[ etiqueta: ] process ( CK )
-- declaraciones
Begin
if (CK’ event and CK=‘1’)
then --instrucciones secuenciales.
end if;
End process [etiqueta];
[ etiqueta: ] process ( CK , RST)-- declaracionesBegin
if RST=‘1’then --acción asíncrona
elseif (CK’ event and CK=‘1’)then --instrucciones secuenciales.
end if;End process [etiqueta];
Proceso Síncrono con Inicialización Asíncrona
Cambio de prioridad por condición asíncrona
Ejemplo Síncrono
Process ( CK )
Begin
if ( CK’ event and CK=‘1’ )
then COUNT <= COUNT + 1;
end if;
End process;
• COUNT es construida por flip flops• Todas las señales deben ser combinatorias.
SENSITIVIDAD
La sensitividad es el conjunto de entradas de un bloque que cada vez que tengan un cambio en su estado activan el sistema y producen una salida.
Lista de Sensitividad
MUX: process (A , B, SEL) begin if SEL = '1' then Z <= A; else Z <= B; end if;
end process MUX;
SEL
A
B
Z
Lista de Sensitividad
MUX: process (A , B) begin if SEL = '1' then Z <= A; else Z <= B; end if;
end process MUX;
Falta SEL SEL
A
B
Z
Variables y Señales:
•Las Señales:
•Objetos que pueden ser declarados en el interior de una entidad (ports) o de una arquitectura (señales internas).
•La asignación de un valor a una señal se hace con un retardo (infinitesimal).
•Variables
•Son objetos que pueden ser declarados dentro de un process (u otras entidades secuenciales).
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 begin wait until CK’event and CK = ‘1’ ; TMP <= A or B; -- Esta línea será ignorada S <= TMP; TMP <= A and C; -- anula la asignación precedente T <= TMP; -- sobre la señal TMP end process;End ARCHI;
Ejemplo sobre las señales:
Entity VAR is port ( A, B, C, CK : in std_logic; S, T: out std_logic );End VAR;Architecture ARCHI of VAR isbegin process variable TMP : std_logic; begin wait until CK’event and CK = ‘1’ ; TMP := A or B; S <= TMP; TMP := A and C; T <= TMP; end process;End ARCHI;
Ejemplo utilizando una variable:
Instrucciones secuénciales: frecuentemente utilizadas.
•-IF…THEN… ; [ELSIF… THEN…];[ELSE…]; END IF;•Similar a la asignación de señales por selección.
•-CASE … END CASE;•Similar a la asignación de señales por selección.
•-FOR … LOOP END LOOP;•Similar a la instrucción FOR … GENERATE
La Sentencia IF
Sintaxis if- then – else.
if CONDITION then--- Sentencias secuenciales
end if;
if CONDITION then--- Sentencias secuenciales
else--- Sentencias secuenciales
end if;
Estructura if – elsif.
if CONDITION then--- Sentencias secuenciales
elsif CONDITION then--- Sentencias secuenciales
elsif CONDITION then--- Sentencias secuenciales
.
.
.else
--- Sentencias secuencialesend if;
IF-ELSIF
•El orden de las sentencias en la estructura if-elsif es muy importante. Más de una condición puede ser verdadera, y es la primera condición verdadera la que provoca que se ejecuten el grupo de sentencias que le siguen
if CONDITION then
-- sentencias secuenciales
elsif CONDITION then
-- sentencias secuenciales
elsif CONDITION then
-- sentencias secuenciales
else
-- sentencias secuenciales
end if;
Ejemplo de IF-ELSIF
process (A,B,C,X)
begin
If (X=“0000”) then
Z<=A;
elsif (X<=“0101”) then
Z<=B;
else
Z<=C;
end if;
end process;
•Si X tiene el valor “0000”, la condición X=0000 es probada primero, entonces a Z se le asigna el valor de A.
IF… THEN… ;[ELSIF… THEN…];[ELSE…]; END IF;
Sintaxis:
Todo IF debe terminarse por END IF.
IF esta en general seguido por ELSE
Varios IF pueden estar enlazados.
La contracción ELSIF permite simplificar la escritura
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;
else MUX <=D;
end if;
end if;
end if;
end process;
process (A,B,C,D,SEL)
begin
If SEL = “00” then MUX <=A;
elsIf SEL = “01” then MUX <=B;
elsif SEL = “10” then MUX <=C;
else MUX<=D;
end if;
end process;
Ejemplo 2 de IF-ELSIF
Utilización de Clock_Enable
architecture ARCHI of SECUENCE is
begin
process
begin
wait until CK’event and CK = ‘1’ ;
If ENABLE = ‘1’ then COUNT<=COUNT+1;
end if;
end process;
end ARCHI;
architecture ARCHI of SECUENCE is
begin
process(CK)
begin
if CK’event and CK = ‘1’ then
If ENABLE = ‘1’ then COUNT<=COUNT+1;
end if;
end process;
end ARCHI;
Utilización de Clock_Enable
Riesgos de inserción de lógica combinatoria en la línea del reloj
GESTION DE LA JERARQUIA
Modelo de un proceso
El modelo de simulación en VHDL consiste de múltiples procesos que se encuentran ejecutándose secuencialmente.
Proceso
____________________
Proceso
____________________
Proceso
____________________
Concurrentes vs. Secuencial
Este modelo puede tener cualquier numero de procesos.
El proceso es visto como una sola sentencia concurrente.
Se puede tener n número de sentencias concurrentes y por lo tanto cualquier número de procesos.
architecture A of E isbegin -- concurrent statements P1: process begin -- sequential statements end process P1; -- concurrent statements
P2: process begin -- sequential statements end process P2;
-- concurrent statmentsend A;
Asignación de señales en un proceso
Procesos concurrentes: múltiples drivers.
Architecture CONCURRENT of MULTIPLE is
signal A, B, C ,D : std_ulogic;
signal Z : std_logic;
Begin
Z <= A and B;
Z <= C and D;
End CONCURRENT;
Tenemos dos asignaciones a la señal Z, realizadas fuera de un proceso. Las sentencias fuera de un proceso son concurrentes y por lo tanto Z tiene dos drivers
??
A
B
C
D
Z
Dentro de un proceso: un solo driver.
Dentro de este ejemplo similar, las dos asignaciones a Z se encuentran dentro de un proceso. (Un proceso puede definir únicamente un driver en una señal)
architecture SEQUENTIAL of MULTIPLE is
signal Z, A, B, C, D : std_ulogic;
begin
process(A, B, C, D)
begin
Z <= A and B;
Z <= C and D;
end process;
end SEQUENTIAL;
C
DZ
El lenguaje define que en un proceso, la última asignación hecha a una señal tiene efecto, pero únicamente cuando el proceso se suspende (final del proceso)
architecture SEQUENTIAL of MULTIPLE is
signal Z, A, B, D : std_ulogic;
begin}
process (A, B, C, D)
begin
Z <= A and B;
Z <= C and D;
end process;
end SEQUENTIAL;
Última asignación
cuando se suspende
Tiene efecto
Diferente significado
Estas mismas dos sentencias tienen significado muy distinto, dependiendo si se ejecutan dentro o fuera de un proceso.
process (A, B, C, D)begin
Z <= A and B;Z <= C and D;
end process;
Architecture X of MULTIPLE is…begin
Z <= A and B;Z <= C and D;
end X;
=
¿Llamadas a múltiples procesos?
Un proceso puede ser potencialmente ejecutado varias veces antes de que todas las señales sean actualizadas.
Ejemplo
SEÑALES ASIGNADAS DESPUES DE UNA LECTURA.
Tenemos un proceso con asignación a la señal M, y el valor de M es también leído en el proceso
B cambia de 0 a 1.
EJEMPLO: process (A, B, M)
begin
Y <= A;
M <= B;
Z <= M;
end process EJEMPLO;
A: 0B:1M:0Z:0
Evento en B
Proceso llamado
Actualización de valores
Ejemplo: process(A,B,M)beginY <= A;M <=B;Z <=M;end process Ejemplo;
La asignación no es inmediata!
En este punto Z sigue teniendo valor 0!
Actualización de valores
A
B
M
Z
El proceso termina la primera ejecución
Z no ha sido actualizada!
T1process
T1process: Tiempo que tarda en ejecutarse el bloque “process”
Debido a que M ha cambiado de 0 a 1 (por la asignación M<=B), el proceso vuelve a ejecutarse
A
B
M
Z
T1process
Ejemplo: process(A,B,M)BeginY <= A;M <=B;Z <=M;end process Ejemplo;
Segunda ejecución del procesoAl ejecutarse esta línea Z no es afectada!
Actualización de valores
A
B
M
Z
T1
process
Termina la segunda ejecución del proceso
T2
process
ENTRADA Y SALIDA
Definición de entrada/salida
Se necesitan dos pasos para definir las entradas/salidas.
A) El tipo buffer (entrada, salida, tres estados ,etc.)
B) La asignación de pins (pin particular del circuito)
Definición del tipo en el código
Inferir o instanciar la entrada y salida.
La herramienta de síntesis Xilinx es capaz de inferir automáticamente los tipos de entrada/salida.
Jerarquía separada para entrada/salida Existen herramientas que
no infieren en la entrada/salida básica.
Para poder instanciarlos consultar el manual de uso del fabricante.Instanciación de los
componentes de la lógica del núcleo
Buffer E/S
Nivel Superior
Definición del tipo en la herramienta de síntesis
Se puede realizar de forma separada la definición de entrada/salida.
Se selecciona los tipos de buffer y se asignan a los puertos de la lógica del núcleo.
Asignación de los pins de entrada/salida
Asignación de pins en las Herramientas de
Foundation.
User Control File (.UCF)
Con las herramientas de Xilinx, la asignación de los pins es a través del archivo (.UCF).
Tres estados y entrada/salida bidireccional
Dentro de la familia Xilinx es capaz de soportar entrada/salida bidireccional, de tres estados o con registros, etc.
Salida de 3 estados
Las herramientas de síntesis tienen la habilidad de inferir automáticamente celdas de entrada/salida tanto salidas de 3 estados como bidireccionales.
Código VHDL
Síntesis
OUT
IN
EN
OUT
EN
‘Z’
‘Z’
Estilo de código para inferir 3 estados.
El uso de la asignación de Z es la que permite a la herramienta de síntesis inferir en el buffer de tres estados.
if (EN = ‘0’) then OUT_PAD <= BUS_OUT;
else OUT_PAD <= ‘Z’;end if;
Síntesis
BUS _OUT OUT_PAD
EN
Código para inferir entradas y salidas bidireccionales
CORE_IN <= BIDI;process (CORE_OUT, BIDI)if (EN=‘0’) then BIDI <= CORE_OUT; else BIDI <= ‘Z’;end if;end process;
Síntesis
BIDIEN
CORE_OUT
CORE_IN
Sentencia concurrente
Uso de la asignación al valor Z
Entrada/Salida con registro
La implementación es automática utilizando un registro en la celda de entrada/salida apropiada si esta disponible.
Debe soportar el uso implícito de enable y reset síncronos en la celda.
CLK
D
Q
Terminal de Terminal de SalidaSalida
Inserción de registros durante MAP
Además las herramientas de implementación de Xilinx tiene un interruptor que les permite poner registros en las celdas de entrada/salida donde sea apropiado.
Pull-up
Xilinx en su mayoría de dispositivos permite el uso de pull-up/down, en las terminales de entrada/salida.
Requerimentos de ruteo especiales
En ocasiones, se requiere que las señales de reset y del reloj, tengan mejor velocidad y desempeño.
Sucede cuando alguna señal se distribuye en una red de elementos (alto fanout).
Si la herramienta de síntesis no infiere esta red, se debe especificar con STARTUP, una red llamada GSR (Global set/reset)
Redes para reloj
Al sintetizar Xilinx, instancia buffers globales automaticamente en redes de reloj.
Si esto no sucede, entonces debe instanciarse una celda de buffer global para manejar la red del reloj
Los Buffers Genéricos son:
XC3000 BUFG
XC5200 BUFG
XC4000E BUFGP,BUFGS
BUFG
Puede ser aplicado sobre un IBUF (buffer de entrada), o sobre redes internas que manejan señales de CLK.
El efecto que tiene es conectar una señal, por la ruta mas corta, a la red sobre la que se aplica el BUFG
Ejemplos: BUFG = CLK: mapea hacia una línea global de reloj
(GCK) BUFG = OE: mapea hacia una línea global de control 3-
estado. BUFG = SR: mapea a una linea global de control
set/reset
Sintaxis BUFG
attribute BUFG: string; attribute BUFG of signal_name: signal is “{CLK|OE|SR|
DATA_GATE}”;
Señales internas de 3 estados
El uso de buffers internos ayuda en ocasiones a simplificar el diseño
Estos buffers pueden ser implementados de tres maneras:
- tres estados- and cableada- or-and cableada
Para el uso de un mux 5-1, el uso de estos elementos simplifica el diseño
Mux 5-1 con Buffers internos
Xilinx infiere cuando instanciar automáticamente buffer, (BUFT)
Decodificadores amplios(Wide Edge Decoder)
En ocasiones es de mucha utilidad contar con un decodificador de direcciones, por ello Xilinx tiene circuiteria dedicada sobre el contorno del dispositivo, por lo que las señales de entrada pueden ser decodificadas. Estos decoficadores son implementados con celdas and y pull-up.
Existe el tipo WAND, que permite instanciar este tipo de decodificadores.
TIEMPO
VHDL nos permite modelar el tiempo, que es una parte importante al describir sistemas electrónicos.
ESTRUCTURA
Composición de elementos.
ENTIDAD
La entidad en VHDL describe la interfase de un bloque jerárquico, sin describir su comportamiento.
La entidad es equivalente a un “símbolo” en un diseño basado en una estructura esquemática.
Es la porción de código que permite definir en particular Entradas y Salidas
ENTIDAD: Informaciones Complementarias
- Equivalente a símbolos en los esquemas.- Los “ports” de entrada/salida deben imperativamente
estar declarados dentro de la entidad y definir su modo:
in, out, inout, buffer.
Modo por defecto:in
- Los “ports” pueden igualmente ser declarados en forma de “señales” simples (ej. Bit) o en forma de bus (ej: bit_Vector).
EJEMPLO DE ENTIDAD
Ejemplo:
entity Ejemplo is
port(
A,B:in bit_vector(7 downto 0);
SEL:in bit;
Mux_OR:out bit );
end Ejemplo;
Equivalencia Esquemática Sel
Símbolo Ejemplo
B[7:0]
A[7:0]
MUX_OR
ENTIDAD: Sintaxis de declaración
entity EJEMPLO is port(Lista puertos de entrada/Salida comprimiendo:
Nombre_de_señal:modo y tipo.);end [EJEMPLO];
--Los corchetes “[]” indican que es opcional usar de --nuevo el nombre de la entidad después de la palabra-- clave end.- El nombre dado a la entidad puede ser cualquiera. (excepto las
palabras reservadas).- Dar de preferencia el mismo nombre a la entidad y al fichero VHDL
(En este caso EJEMPLO.vhd)- La lista de puertos está comprendida entre dos paréntesis y
seguida de un punto y coma.- Nombre de la entidad opcional después de la palabra “end”.
ARQUITECTURA
Porción de descripción del comportamiento del dispositivo a sintetizar.
La arquitectura describe el comportamiento de la entidad.• Esta asociada a una
entidad• (dentro del mismo
fichero)• Posee una parte
declaratoria y una parte operatoria.
Entidad y Arquitectura
Una entidad puede tener mas de una arquitectura.
Una aplicacion es útil, esto es cuando un diseño es descrito a varios niveles de abstracción: pueden existir descripciones a nivel de comportamiento, RTL y de compuertas, del mismo diseño, o varias formas de describir el mismo circuito.
PAQUETE
Un paquete tiene una colección de definiciones que pueden ser referenciados por varios diseños al mismo tiempo.
ARREGLOS
Son elementos del mismo tipo. VHDL define dos tipo de arreglo estándar: bit_vector y string.
Un arreglo en VHDL tiene las siguientes tres características1.-El tipo de elementos en el arreglo (tienen que ser del mismo tipo)2.-La longitud de el arreglo3.-Los índices del arreglobit_vector representa un tipo especial de arreglo en el cual el numero de bits o la longitud del arreglo no es restringida y es puesta en la declaración del objeto
1 2 3 4Signal
C_BUS
3 2 1 0Signal
Z_BUS
Declaraciones legalessignal Z_BUS: bit_vector (3 downto 0)signal C_BUS: bit_vector (1 to 4)
Declaraciones ilegalessignal Z_BUS: bit_vector (0 downto 3)signal C_BUS: bit_vector (3 to 0)
bit string literal.
Es una notación para especificar el valor de un bit_vector.
signal SIG_A: bit_vector (7 downto 0)
SIG_A <= B”1110_0011” --(22710)SIG_A 1 1 1 0 0 0 1 1
7 6 5 4 3 2 1 0
B”11111010” B”1111_1010”
B”11111010”X”FA”
O”372” B”011111010”
Designación Base
B Binaria
O Octal
X Hexadecimal
Asignación por posición.
Dos objetos de tipo arreglo pueden ser asignados uno al otro, mientras sean del mismo tamaño y del mismo tipo:
Notar que la asignación es por posición y no por número de índice. El concepto de bit más significativo no esta definido en VHDL.
signal Z_BUS: bit_vector(3 downto 0);
signal C_BUS: bit_vector(1 to 4);
Z_BUS(3) <= C_BUS(1);Z_BUS(2) <= C_BUS(2);Z_BUS(1) <= C_BUS(3);Z_BUS(0) <= C_BUS(4);
Z_BUS <= C_BUS;
3 2 1 0Signal
Z_BUS
1 2 3 4Signal
C_BUS
Parte de un arreglo. (Slices)
Una parte de un arreglo unidimensional, en general, y un bit_vector en particular puede ser referenciado, inclusive por un solo elemento. La dirección de esta parte (es decir, to o downto) debe corresponder con la dirección del arreglo declarado.
signal Z_BUS: bit_vector(3 downto 0);
signal C_BUS: bit_vector(1 to 4);
legalZ_BUS (3 downto 0) <=“00”C_BUS:(2 to 4) <= Z_BUS (3 downto 1);
ilegalZ_BUS (0 to 1) <=“111”
Los slices de vectores de bit son útiles debido a que a menudo pueden ser vistos como colecciones de campos, donde cada campo lleva una pieza de información. Por ejemplo un vector de bit que represente la instrucción de una computadora puede contener un campo representando el tipo de instrucción.
Concatenación y agregados.
Ahora se discuten dos conceptos conocidos como concatenación y agregado. Estos son dos métodos que sirven para asociar señales entre ellos y asignarlas a un arreglo de objetos.
Concatenación
VHDL tiene la habilidad de asociar bits individuales y vectores para formar una estructura de arreglo. Esto es conocido como concatenación y utiliza el operador “ampersand” (&). Los ejemplos muestran que bits individuales y vectores de bits pueden ser concatenados para formar nuevos vectores
signal Z_BUS: bit_vector(3 downto 0);
signal A,B,C,D: bit;
signal BYTE: bit_vector(7 downto 0);
signal A_BUS: bit_vector(3 downto 0);
signal B_BUS: bit_vector(3 downto 0);
Z_BUS<= A & B & C & D
BYTE<=A_BUS & B_BUS
Agregados.
Otro método de asignación a elementos de un arreglo es conocido como agregado.Un agregado esta contenido entre paréntesis y las asignaciones a cada elemento son separadas por comas.
Z_BUS<=(A, B, C, D);
signal Z_BUS: bit_vector(3 downto 0);signal A,B,C,D: bit;
Z_BUS(3)<=A;Z_BUS(2)<=B;Z_BUS(1)<=C;Z_BUS(0)<=D;
Especificando los elementos por nombre.
Es posible asignar a los elementos de un arreglo por nombre o por posición.
Este ejemplo demuestra que también un rango del arreglo puede ser asignado, siempre y cuando el mismo valor sea asignado a cada elemento del rango.
X<= (3=>’1’, 1 downto 0 =>’1’, 2=>B)
signal X: bit_vector(3 downto 0);signal A,B,C,D: bit;signal BYTE:bit_vector(7 downto 0)
nombre rango nombre
Others, soporte para síntesis.
Los agregados tienen la habilidad de usar la sentencia others, la cual asignará un valor a todos los otros elementos de un arreglo que no han sido especificados. Finalmente, no todas las herramientas de síntesis soportan el uso de agregados, por lo que puede ser necesario usar concatenación para realizar manipulaciones sobre arreglos.
X<= (3=>’1’, 1 =>’0’, others=>B)
signal Z_BUS: bit_vector (3 downto 0);signal A,B,C,D: bit;signal BYTE:bit_vector(7 downto 0);
Necesidad de mas que el “0” y el “1”
El tipo bit tiene unas limitaciones, puede solo representar el 0 y el 1. En simulación puede ser útil el poder representar otros valores, por ejemplo: desconocido, no inicializado, alta impedancia. Mientras para la síntesis puede ser útil representar una condición: don’t care
Unknown El valor era conocido pero ya no lo es. A menudo denota dos compuertas manejando el mismo nodo de salida, con conflicto entre valores.
Un-initialised El valor nunca fue conocido (prepower-up)
High Impedance La red no tiene driver
Drive strengths Maneja diferentes drivers de salida
Don’t care Implementación en sintesis. No estamos interesados en el comportamiento de la entrada/salida, la salida no esta siendo monitoreada bajo ciertas condiciones de entrada o ciertas condiciones de entrada que nunca se espera que ocurran
Lógica de valores múltiples
La idea de una lógica de valores múltiples, o un sistema LVM lleva un tipo de señal enumerado definido por todos los valores, junto con un grupo de funciones que realizan operaciones lógicas tales como: AND y OR sobre objetos de ese tipo.
High impedance
“Z”
Logic 0
“0”
Logic 1
“1”
Un-initialised
“U”
Unknown
“X”
Don’t care
“-”
0
?
0
1
1
cc Output
input
VDD
Compuerta inversora NMOS Estática
Compuerta inversora NMOS Estática
RONPU
ROFFPD
Input=L
Output=Vdd ROFFP
ROFFPD RON
PU+=H
VDD
RONPU
RONPD
Output=Vdd RONPD
RONPD RON
PU+=L
VDD
Input=H
VDD
H
L
0
0
0
1
1
cc Output
input
VDD
Compuerta inversora NMOS Estática
OBJETOS MANIPULABLES
Los objetos que se pueden manipular en VHDL son:
1 SEÑALES: Los “ports” declarados dentro de una entidad son señales.
2 CONSTANTES: permiten definir valores permanentes
3 VARIABLES: utilizados solamente dentro de los procesos(instrucciones secuénciales).
4 ARCHIVOS (FICHEROS)
Declaraciòn de Objetos
La formula de declaraciòn de constantes, variables y señales es:
Tipo_de_Objeto Nombre_de_Objeto Tipo_de_Dato:=Valor Inicial
Por ejemplo:
SIGNAL nodno1: BIT:='1';VARIABLE var1:BIT;CONST pi: REAL:=3.14159;
Señales
Son objetos que permiten simular la interconexión de componentes dentro de la arquitectura de diseño.
Permiten representar entradas o salidas de entidades.
Señales
X0 y x1 no tienen asignada una terminal en la entidad de diseño (funcionan como un medio de interconexión).
Sintaxis general de una señal
signal id {,...} : tipo [:= expresion ];port ( { id {, ...} : direccion tipo [:= expresion];}]
Signal Reloj : std _logic :='0';signal Comparacion: bit;signal Resultado : integer range 0 to 7;port ( a,b : in integer range 0 to 7; c : out integer range 0 to 7; d : inout std_logic );
Señales
Forma de declarar una señal:signal identificator: tipo: [rango];
Ejemplo:signal vcc: bit: ´1´;signal suma: bit_vector: (3 downto 0);
Señales
las señales pueden declararse en una entidad, en una arquitectura o en un paquete.
si se quiere inicializar una señal hay que indicar un valor en [:=expression]
por ejemplo: signal s: bit:='1'; de otra manera, el valor es inicializado al valor
mas bajo del tipo de variable definido.
Señales
Escalar: signal name(s):=type [range_contraint][:=expression];
Vectorial: signal name(s): array_type[index_constraint] [:=expression];
Entidad: port (name(s): direction type [range_constraint][:=expression]);
Señales
Ejemplos: signal count: integer range 1 to 50; (el valor inicial será
1) signal GROUND: BIT:='0'; signal YS_BUS std_logic_vector (7 downto 0); port (B,A: in integer range 0 to 9); signal bogus: bit_vector; (Errónea, no hay dimensión)
Driver de señal
• Un conductor (driver) para una señal se define por el proceso que asigna valores a la señal.
• Los valores que viajan por los caminos de datos en un tiempo dado están contenidos en dicho conductor, el cual consta de una colección de parejas (tuplas) valor/tiempo llamadas transacciones.
Asignación múltiple o concurrente
Los “conductores” son creados por sentencias de asignación de señales.
Una asignación concurrente de señal dentro de una arquitectura produce un “conductor” para cada asignación de señal. Asignaciones múltiples producirán “conductores” múltiples de señal.
Creación de un driver
ARCHITECTURE t1 OF d1 IS
BEGIN
a <= b AFTER 10 ns ;
a <= c AFTER 10 ns ;
END t1;
Función de resolución
La señal ´”a” está siendo manejada por dos fuentes, b y c.
Cada asignación concurrente creará un conductor para la señal a, esto no es admitido a menos que se defina una función de resolución (resolved signals).
La forma en que esto se resuelve queda a cargo del diseñador.
Atributos función de las señales
S´EVENT Retorna verdadero si ocurrió un evento en S durante el corriente delta, de lo contrario devuelve falso.
S´ACTIVE Retorna verdadero si ocurrió una transición en S durante el corriente delta, else falso.
S´LAST_EVENT Retorna el tiempo transcurrido desde la transición previa de la señal S.
S´LAST_VALUE Retorna el valor previo de S antes del último evento.
S´LAST_ACTIVE Retorna el tiempo transcurrido desde la transacción previa de la señal.
Señales de tipo definido
Habiendo definido el tipo, podemos definir señales de este tipo. Aquí hemos declarado la señal STATE de tipo MY_STATE. Debemos observar las reglas estrictas cuando usemos estas señales: no podemos asignar nada a la señal STATE que no sea del tipo MY_STATE
type MY_SATE is(RESET, IDLE, RW_CYCLE, INT_CYCLE);
…Signal STATE: MY_STATE;Signal TWO_BIT: bit_vector (0 to 1);…
STATE<=RESET;
STATE<=“00”;
STATE<=TWO_BIT;
CONSTANTES
Una constante es un objeto que se inicializaa un determinado valor y no puede ser cambiado una vez inicializado.
Sintaxis general de una constante
constant id {,...} : tipo [:= expresion];
Ejemplos
Constant Pi: real : =3.1415;constant BitsPalabra : integer :=8;constant NumPalabras : integer :=64;constant NumBits : integer :=BitsPalabras * NumPalabras;constant RetardoAND2 , RetardoOR2 : time := 2 ns
VARIABLES
Una variable es un objeto que se inicializa a un determinado valor y a diferencia de una constantesu valor puede ser alterado en cualquier instante.
Sintaxis general de una variable
variable id {,....} : tipo [expresion];
Ejemplos
Variable Indice1, Indice2, Indice3 : integer := 0;variable Comparacion : boolean;variable Resultado : real;
ARCHIVOS (FICHEROS)
Permiten comunicar un diseño VHDL con el exterior, el modelo lee y escribe datos persistentes.
En el paquete texti o de la biblioteca standar haytipos de datos y operaciones de lectura/escritura de archivos de texto.
VHDL soporta subprogramas para leer y escribir archivos en forma secuencial.
Sintaxis general de un archivo
file id {,....} : tipo [is direcciòn “nombre” ;]file id {,....} : tipo [ [ open tipo_acceso] is “nombre”;]
Ejemplos
file Estimulos : FicheroEnteros open read_mode is “datos.in”;file Salida : FicheroEnteros open write_mode id “datos.out”;
ASIGNACION DE UN VALOR
A una señal se le asigna un valor, en VHDL, por medio de una sentencia de Asignación de señal.
Una Asignación a una señal define un driver sobre esa señal.
Se pueden tener multilples drivers.
DEFINICION DE PUERTOS
Señales que relacionan una entidad con otra
Forma genérica de designar un puerto
nombre_variable: modo tipo;
Ejemplos:
puertoa: in bit; puertob: in bit_vector(0 to 7); puertoc: out bit_vector(3 downto 0);puertod: buffer bit; puertoe:inout std_logic;
in Un puerto es de modo in si la información correspondiente al mismo, entra a la entidad y se suele usar para relojes, entradas de control (como las típicas load, reset y enable), y para datos de entrada unidireccionales.
Modo de Puerto
out Un puerto es de modo out si la información fluye hacia fuera de la entidad. Este modo no permite realimentación ya que al declarar un puerto como out estamos indicando al compilador que el estado lógico en el que se encuentra no es leíble.
buffer Este modo es similar al modo out, pero además, permite la realimentación y no es bidireccional, y solo puede ser conectado directamente a una señal interna, o a un puerto de modo buffer de otra entidad. Una aplicación muy común de este modo es la de salida de un contador, ya que debemos saber la salida en el momento actual para determinar la salida en el momento siguiente.
inout Es usado para señales bidireccionales, es decir, si necesitamos que por el mismo puerto fluya información tanto hacia dentro como hacia afuera de la entidad. Este modo permite la realimentación interna y puede reemplazar a cualquiera de los modos anteriores, pudiéndose usar este modo para todos los puertos.
Tipos Nativos para VHDL
booleanPuede tomar dos valores: verdadero/true o falso/false. Un ejemplo típico es la salida de un comparador que da verdadero si los números comparados son iguales y falso si no lo son
bitPuede tomar dos valores: 0 ó 1 ( o también "low" o "high", según se prefiera). Es el tipo más usado de los nativos
bit_vector Es un vector de bits. Debemos tener cuidado al definir el peso de los bits que lo integran, ya que según pongamos la palabra reservada downto o to estaremos diciendo que el bit más significativo es el número más alto o el más bajo del vector, respectivamente..
numero : bit_vector (0 to 7);numero : bit_vector (7 downto 0);
integer Para mantenerr números enteros. Hay que advertir que el uso de enteros consume muchos recursos del dispositivo de lógica programable, siempre y cuando sea sintetizable, debido a que está prácticamente creado para la simulación.
• Definir un modelo de comportamiento sintetizable (ARCHITECTURE)Usando el juego de instrucciones soportado por las herramientas de síntesis
architecture archpro of programa is
-- Declaración de señales y otros accesorios
Begin
-- Núcleo del programa
End archpro;
Para describir una arquitectura podremos usar cuatro estilos
Estilo behavioral Estilo dataflow Estilo structural Estilo mixto
Estilo behavioral
architecture behavioral of compa isbegincomp: process (a, b) begin if a= b then igual<='1'; else igual<='0'; end if; end process comp;end behavioral;
entity compa is port (a,b: in bit_vector(3 downto 0);igual: out bit);end compa;
Estilo dataflow
architecture dataflow1 of compa isbegin igual<='1' when (a=b) else '0';end dataflow1;
architecture dataflow2 of compa isbegin igual<= not(a(0) xor b(0)) and not(a(1) xor b(1)) and not(a(2) xor b(2)) and not(a(3) xor b(3));end dataflow2;
Estilo structural
architecture struct of compa issignal x: bit_vector(0 to 3);
Component xnor2 Port (e1,e2:in bit; y:out bit);End component;
Component and4 Port (e1,e2,e3,e4:in bit; y:out bit);End component;
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;
Estilo mixto
Estilo de Escritura RTL (Register Transfer Level)
Netlist Describe los componentes que posee y las conexiones entre ellos (Estilo Estructural)
RTL Describe el comportamiento de cada entidad
CONCEPTO DE TIPO DE DATO
Todos los objetos en VHDL son de un tipo dado. Un tipo de dato se caracteriza por el conjunto de valores que puede tomar y los operadores que
se le puede aplicar a un objeto.
TIPO
El tipo define un conjunto de valores y una asignación a esa señal debe ser un valor definido por ese conjunto.
Cuando hacemos una asignación a una señal, los tipos en ambos lados del operador de asignación de señal deben corresponder.
Declaraciòn de tipos de datosSintaxis general
type id is definiciòn_tipo;
Ejemplos
type DiaMes is range 1 to 31 ;type Dela31 is range 1 to 31;type Orientacion is (norte,sur,este,oeste);
Uso
constant DiasEnero : DiasMes :=31;variable DiaHoy : DiaMes;signal Direcciòn : Orientacion;
Los tipos deben corresponder
Cuando hacemos una asignaciòn a una señal, los tipos en ambos lados del operador de asignaciòn de señal deben corresponder.
Ejemplo: Entity HALFADD is port (A,B : in bit; SUM, CARRY : out bit); end HALFADD;
Tipos predefinidos
Escalares Enumerados BOOLEAN,BIT,CHARACTER Enteros INTEGER Físicos TIME Flotantes REAL
Compuestos Arrays STRING,BIT_VECTOR
• Otros
Puntero
ACCESS
Archivos
FILE
TIPO BOOLEAN
Este tipo de dato puede tomar un valor
falso o verdadero
TRUE FALSO
Cuando se comparan dos valores de tipo boolean
el resultado también es de tipo boolean.
TIPO BIT
El tipo BIT sirve para modelar niveles lógicos.Conjunto de valores ‘0’ y ‘1’
Operaciones definidas sobre el: Lógicas: not,and,nand,or,nor,xor y xnor Comparación: ‘=‘, ‘/=‘,’<‘, ‘<=‘, ‘>’, ‘>=‘ Concatenación: &
type bit is (‘0’, ‘1’)
TIPO CHARACTER
Se utiliza para definir un solo carácter.
‘A’
‘b’
‘x’
TIPO INTEGERUn tipo integer es un dato cuyo contenido es unvalor numerico entero que esta dentro del siguiente rango :2,147,483,647 a +2,147,483,647.
Ejemplos+1682-139+239
TYPE Integer IS 0 TO 255;TYPE index IS RANGE 7 DOWNTO 1;
TIPO TIME
El tipo TIME sirve para especificar valores de
tiempo en los modelos
Se define la unidad básica y las derivadas de ellas.
type time is orange -2147483647 to 2147483647
units
fs;
ps = 1000 fs;
ns = 1000 ps;
us = 1000 ns;
min = 60 sec;
end units;
TIPO REAL
Conocidos también como coma flotante,
son los tipos que definen un numero
real. Al igual que los enteros se definen
mediante la palabra clave RANGE, con la
diferencia de que los límites son números
reales.
TIPO STRING
El tipo string se define como un arreglo
de cadenas de caracteres.
Ejemplos
“error en sincronia”
“Hola Mundo”
TIPO BIT_VECTOR
El tipo bit_vector es un arreglo de bit: Permite modelar buses con un solo driver Solo admite valores ‘0’ y ‘1’
"0101_1001"x"00AF"
type bit_vector is array (natural range <>) of bit;
SUBTIPOS DE DATOS
VHDL permite la definición de subtipos
que son restricciones o subconjuntos de
tipos existentes.
Hay dos tipos, el primero son subtipos
obtenidos a partir de la restricción de un
tipo escalar a un rango.
Ejemplo:
SUBTYPE raro IS integer RANGE 4 TO 7;SUBTYPE digitos IS character RANGE '0' TO '9';
El segundo tipo de subtipos son aquellos que restringen el rango de una matriz:
Ejemplo:
SUBTYPE id IS string(1 TO 20);SUBTYPE word IS bit_vector(31 DOWNTO 0);
Tipos enumerated.
Un tipo de datos definido por el usuario es conocido en VHDL como un tipo enumerated. Lo más común es definir los tipos dentro de un paquete, arquitectura o proceso, y la mayoría de las herramientas de síntesis son capaces de sintetizar VHDL que contiene tipos enumerated.
Síntesis de tipo enumerated La mayoría de las herramientas de síntesis pueden construir lógica desde una señal
del tipo enumerated. Usualmente la señal tiene el número mínimo de bits requerido para representar el número de valores posibles. Este ejemplo muestra cada como cada valor es usualmente codificado en la implementación del hardware.
RESET “00”IDLE “01”RW “10”INT_CYCLE “11”
Mínimo número de bits
type MY_SATE is(RESET, IDLE, RW_CYCLE, INT_CYCLE);
Codificación de derecha a izquierda en secuencia binaria
TIPO PREDEFINIDO (enumerated)
Son especificados como código fuente de VHDL, y se encontran en un paquete llamado STANDARD:
Boolean Time Bit Bit_vector
Character String Integer real
STANDARD_LOGIC
El Estándar 1164 está definido en código fuente VHDL puro y describe un tipo de dato llamado “std_ulogic”, el cual define los nueve estados posibles.
TIPO STD_ULOGIC
El tipo std_ulogic es un tipo de dato unresolved, y puede tener un solo driver. De hecho, la “u” se refiere al hecho de que es de tipo unresolved.
TIPO STD_LOGIC
Hay otro tipo definido, llamado “std_logic”. el cual es una versión tipo resolved de std_ulogic y
puede tener mas de un driver. El tipo std_logic tiene los mismos nueve estados de
std_ulogic.
VECTORES TIPO STD_LOGIC Y STD_ULOGIC
El paquete también contiene la definición de los arreglos de std_logic y std_ulogic, conocidos como std_logic_vector y std_ulogic_vector. estos tipos tienden a ser usados para describir estructuras de bus en la forma como el tipo bit_vector.
Los tipos std_logic y std_logic_vector, son los recomendados para usar en los diseños.
La razón para esto es que hay otros estandares para usar VHDL que están basados en estos tipos en lugar de std_ulogic y std_ulogic_vector.
Asignar std_logic a std_ulogic.
Como se muestra en el diagrama es posible asignar objetos de tipo std_logic a objetos del tipo std_ulogic, y viceversa.
std_logic para drivers múltiples
Si hay múltiples drivers en una señal se debe usar el tipo std_logic, ya que no es valido tener mas de un driver en un tipo de dato unresolved.
Z o RES_Z ?
signal A,B,Z: std_ulogic;
signal RES_Z: std_logic;
Z<= A; Z<= B;
RES_Z<= A; RES_Z<= B;
Cláusulas library y use
El paquete de definiciones está contenido en una biblioteca llamada IEEE. Es necesario hacer referencia tanto a la biblioteca como al paquete, como es mostrada en el diagrama. Se deben usar estas líneas de código antes de describir las entidades que usan en el Standard Logic.
library IEEE; --hace visible la biblioteca
use IEEE.Std.Logic_1164.all; --hace todo el contenido del paquete visible
entity MVLS is
port (A,B: in std_ulogic;
Z: out std_ulogic);
end MVLS;
OPERADORES LOGICOS
Tienen la misma precedencia, y se ejecutan de izquierda a derecha en la sentencia.
OPERADORES RELACIONALES
Los operadores deben ser del mismo tipo, pero el número de bits comparados puede ser diferentes.
OPERADORES ARITMETICOS
Operan sobre objetos de tipo INTEGER.
Pueden igualmente operar sobre STD_LOGIC_VECTOR utilizando los paquetes STD_LOGIC_UNSIGNED y STD_LOGIC_ARITH.
OPERADORES DE DESPLAZAMIENTO
rol ( rotate left ) ror ( rotate right ) sll ( shift left logical ) srl ( shift rigth logical ) sla ( shift left arithmetic ) sra ( shift right arithmetic )
Operan sobre objetos de tipo: bit_vector std_logic_vector, std_ulogic_vector
INSTRUCCIONES SECUENCIALES Y CONCURRENTES
Sentencias secuenciales y concurrentes
Sentencias concurrentes. Se ejecutan al mismo tiempo.
En paralelo.
Sentencias secuenciales. Se ejecutan una a la vez.
En secuencia.
Instrucciones concurrentes
Las operaciones se efectúan al mismo tiempo (en paralelo) :
El orden de escritura de las instrucciones no afecta el resultado de la síntesis o simulación.
El estilo de escritura es comparable a los lenguajes de programación de los PALs (ecuaciones lógicas).
Ejemplo
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; end ARCHI;
Ejecución en paralelo orden independiente
El comportamiento de sentencias concurrentes es independiente del orden en el cual sean escritas.
X <= A + B;
Z <= C + X;
Z <= C + X;
X <= A + B;
Asignación concurrente Los diseños esquemáticos son usados para representar
hardware, por lo que son concurrentes por naturaleza.
X <= A + B;
Z <= C + X;Z <= C + X;
X <= A + B;
++
AB
CZ
Asignación Concurrente
Consideremos la sentencia x <= x + y.
X <= x + y;
En Software;
Registro X Registro X
+
No para Hardware Siendo una sentencia concurrente, esta misma línea de
código está describiendo un sumador, sin registros de almacenamiento implícitos.
X <= x + y;
En Hardware;
+
x y
x
Instrucciones secuenciales
Las operaciones se efectúan en secuencia. El orden afecta los resultados de simulación y sintésis. Estilo de escritura parecido a los lenguajes de
informática de alto nivel. Las instrucciones secuenciales se usan en partes
específicas del código: PROCESO o subprogramas.
Ejemplo
Architecture ARCHI of SECUENCIA isbegin process begin wait until CK’event and CK = ‘1’;
if ENA = ‘1’ then COUNT <= COUNT+1; end if;
end process;end ARCHI;
Utilización del Clock_Enable Dedicado de los Flip Flops Xilinx
Instrucciones concurrentes
Asignación de señales por condición: WHEN…ELSE Sintaxis:
Signal_x <= valor_x when signal_y = valor_y
else valor_z; Notar que el valor_z es indicado directamente después
de “else”. (El símbolo de asignación “<=” es implícito)
Ejemplo
entity CONCURRENT is port (A, B, C : in bit; S, T : out bit); end CONCURRENT;architecture ARCHI of CONCURRENT is begin S <= A when C = ‘1’ else B; T <= B xor C;end ARCHI;
Ejemploentity CONCURRENT is
port (A, B, C : in bit; S, T : out bit);
end CONCURRENT;
architecture ARCHI of CONCURRENT is
Begin
if (c = ‘1’) then S <= A
else S <= B;
T <= B xor C;
end ARCHI;
Ejemplo
Entity CONCURRENT is
port (A, B, C : in bit; S, T : out bit);
end CONCURRENT;
architecture ARCHI of CONCURRENT is
begin
S <= A when C = ‘1’ else B;
T <= not B;
end ARCHI;
Las dos instrucciones (o asignaciones) son concurrentes. El orden de escritura no afecta los resultados.
Estas instrucciones generan:
A
B
C
S TB
Ejemplo
Entity TRISTATE is port (A, B, C, : in std_logic; S : out std_logic );end TRISTATEArchitecture ARCHI of TRISTATE isbegin S <= A when C = ‘0’ else ‘Z’; S <= B when C = ‘1’ else ‘Z’;end ARCHI;
A
C
B S
Entity is port (A, B : in std_logic_vector(15 downto 0); C : in std_logic; S : out std_logic_vector(15 downto o));end TRISTATE;Architecture ARCHI of TRISTATE isbegin S<=A when C=‘0’ else “ZZZZZZZZZZZZZZZZ”; S<=B when C=‘1’ else “ZZZZZZZZZZZZZZZZ”;End ARCHI;
C
B[ 15:0]S[ 15:0]
A[ 15:0]
Asignación de señales por selección.with - select
Ejemplo:
with signal_x select
signal_y <= valor_y1 when “00”,
valor_y2 when “01”,
valor_y3 when “10”,
valor_y4 when others;
Ejemplo 2:
architecture archi of muxAndNot is begin with SEL select S <= A when “00”, B when “01”, C when “10”, D when others; T <= not B, end archi
AABBCCDD BB
SEL[1:0SEL[1:0]]
TT
SS
Ciclos con:for - in – to - generate
Sintaxis:
LABEL: for i in enteroA to enteroB generate --Instrucciones concurrentesend generate;
i No necesita declararse previamente y no puede modificarse su valor dentro del ciclo.
enteroA y enteroB definen el número de iteraciones. LABEL es de uso obligatorio. generate puede ajustarse empleando range.
Decodificador.Hexadecimal – 7 Segmentos. Tabla de verdad:
a
b
c
d
e
fg
111000111111111FF
111100100111111EE
101111011001111DD
011100100001111CC
111110011110011BB
111011100110011AA
11011111100001199
11111110000001188
00001111111110077
11111010011110066
11011011100110055
11001100000110044
10011111111000033
10110110011000022
00001101100000011
01111110000000000
ggffeeddccbbaaDDCCBBAA
Decodificador BCD – 7 Segmentos
with BCDIN selectdisplay <= “0000000” when x “0”, “0000000” when x “1”, “0000000” when x “2”, “0000000” when x “3”, “0000000” when x “4”, “0000000” when x “5”, “0000000” when x “6”, “0000000” when x “7”, “0000000” when x “8”, “0000000” when x “9”, “0000000” when x “a”, “0000000” when x “b”, “0000000” when x “c”, “0000000” when x “d”, “0000000” when x “e”, “0000000” when x “f ”, “0000000” when others;
CONFIGURACION
La configuración es como una lista de partes, especificando cual arquitectura debe ser usada para cada entidad del diseño.
Permitir una configuración por default permite que el código sea más portable.
CONFIGURACION
Es el enlace entre cada nivel de la jerarquía, y la especificación de cual arquitectura es la que debe ser usada
COMPILACION Después de que se ha
escrito el código de VHDL en un archivo de texto, el código es analizado para determinar si tiene errores de sintaxis, y se crea un archivo binario.
Este proceso es realizado por unas de las herramientas para compilación y por otras herramientas para análisis.
MAPEO DE BIBLIOTECAS
Las herramientas de simulación y síntesis de VHDL acceden a un archivo que tiene un mapa de los nombres de las bibliotecas de VHDL con los directorios físicos en la computadora.
VHDL también permite definir una biblioteca llamada WORK como la biblioteca en la cual las unidades de diseño son compiladas sino se especifica una biblioteca
Como se ejecuta una simulación
Mecanismo de ColaEn un momento dado dentro de una simulación se generan 2 colas:
Cola de señales a actualizar Cola de procesos a ejecutar
Actualización de la señal
Ejecución del proceso
Proceso puesto en la cola Cuando una señal es actualizada en un punto específico
del tiempo de simulación, todos los procesos que son sensitivos a esa señal son puestos en una cola de procesos en ejecución.
Actualización de la señal
Ejecución del proceso
Instrucción: M <= B;
B actualizada
Proceso puesto en la cola
Una cola de señales actualizadasLas señales que son asignadas en cada proceso no son actualizadas inmediatamente después de que el proceso se suspende, son puestas en una cola de señales actualizadas.
Las señales son actualizadas cuando todos los procesos han sido ejecutados.
Ciclo Delta Como resultado de la actualización de las señales, otros procesos
pueden ser ejecutados en la cola de procesos en ejecución.
Un ciclo que cubre esta secuencia es conocido como un ciclo Delta.
Actualización de la señal
Ejecución del proceso
Ejemplo: process(A,B,M)BeginY <= A;M <=B;Z <=M;end process Ejemplo;
Ejecución sobre el tiempo
Múltiples deltas en cada punto de tiempo de simulación
Varios ciclos delta en una simulación En cada punto del tiempo de simulación se
ejecuta el ciclo delta, hasta que no haya mas asignaciones o procesos en ejecución
Actualización de la señal
Ejecución del proceso
Actualización de la señal
Ejecución del proceso
Tiempo de simulación
Avanza a la siguiente actividad
La cláusula “after” La asignación de una señal es colocada en
una cola de “señales actualizadas” en un tiempo en el futuro, en lugar del tiempo actual
Tiempo de simulación
Z <= A after 5ns;
5 ns
Z puesta en esta cola
La cláusula “wait for”
Tiempo de simulación
Z <= A;
wait for 5 ns;
5 ns
Z puesta en esta cola