Bengt Oelmann -- copyright 2002 ETAC48 Föreläsning 2 Grunder i VHDL Innehåll Komponentmodell Kodmodell Entitet Arkitektur Identifierare och objekt Operationer för relationer Parallellitet i VHDL VHDL simulatorn Bengt Oelmann -- copyright 2002 BO

Bengt Oelmann -- copyright 2002 ETAC48 Föreläsning 2 Komponentmodell Modell för att beskriva komponenter Externt gränssnitt Intern funktion Portar: externa anslutningar till komponenten Komponentens - Beteende eller - Struktur VHDL-komponent A B C X Y Funktion: ett antal parallella processer Bengt Oelmann -- copyright 2002 BO

Kodmodell Deklaration av entitet Deklaration av arkitektur VHDL-komponent Deklaration av entitet Gränssnitt (interface) - entitet med portar Deklaration av arkitektur Funktion - arkitektur Bengt Oelmann -- copyright 2002

Deklarera VHDL-komponentens gränssnitt MUX 2-1 y sel a b entity mux2 is port ( a: in STD_LOGIC; b: in STD_LOGIC; sel: in STD_LOGIC; y: out STD_LOGIC; ); end mux2; Bengt Oelmann -- copyright 2002

VHDL-komponentens portar port definierar ingångar och utgångar in/out definierar portens mode Bestämmer riktningen på dataflödet entity mux2 is port ( a: in STD_LOGIC; b: in STD_LOGIC; sel: in STD_LOGIC; y: out STD_LOGIC; ); end mux2; std_logic är datatypen för in- och utsignalerna Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Portar i VHDL Port-deklarationerna är det viktigaste i entitets-deklarationen Varje port representerar Komponentens externa pinnar Varje port har Port-namn Mode Datatyp En identifierare som du skapar Riktning på data Vilka värden porten kan anta Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Portarnas olika moder Signalen går enbart in till komponenten och drivs av någon annan komponent. Insignalen används på höger sida av en tilldelning: z <= a OR inport IN Signalen går enbart ut från komponenten. Det går ej att läsa utsignalens värde i komponenten används på vänster sida i tilldelning: outport <= a OR b OUT Signalen går enbart ut från komponenten. Det går att läsa utsignalens värde i komponenten Används på båda sidorna i tilldelning: buffer_port <= a OR b; z <= buffer_port OR c; BUFFER INOUT Signalen kan gå i båda riktningarna, antingen in eller ut signalens värde kan läsas av komponenten Signalen kan också drivas av andra komponenter Kan användas på båda sidor av en tilldelning Bengt Oelmann -- copyright 2002

Beskrivning av funktionen i arkitekturen ETAC48 Föreläsning 2 Beskrivning av funktionen i arkitekturen MUX 2-1 y sel a b architecture mux2_arch of mux2 is begin mux2_1: process(a, b, sel) if sel = '0' then y <= a; else y <= b; end if; end process mux2_1; end mux2_arch; I arkitekturen beskrivs funktionen: Om sel är 0 så läggs värdet på insignalen a ut på utsignalen y. I annat fall (sel=1) så läggs insignalen b ut på y. Bengt Oelmann -- copyright 2002 BO

Arkitektur-deklaration Namnet på entiteten Namnet på arkitekturen architecture mux2_arch of mux2 is begin mux2_1: process(a, b, sel) if sel = '0' then y <= a; else y <= b; end if; end process mux2_1; end mux2_arch; begin … end för arkitekturen Process Med sensitivitetslista begin … end för processen Sekventiella satser (if-then-else) i processen Bengt Oelmann -- copyright 2002

Struktur för arkitekturen architecture name_arch of name is begin end name_arch; Deklaration av signaler Signaler används för att kommunicera mellan processer och mellan komponenter samt i parallella satser. Signaler kan bara deklareras på arkitektur-nivå (ej i processer) Parallella satser Process 1 Process 2 Processer och parallella satser exekveras parallellt Inom en process sker exekveringen sekventiellt (sekventiella satser) Bengt Oelmann -- copyright 2002

Exempel på parallella och sekventiella satser ENTITY ename IS Ports( a, b, c: IN bit; y, z, w: OUT bit; Deklarationer -- inga variabler tillåtna END ename ARCHITECTURE first OF ename IS Deklarationer -- inga variabler, men signaler är OK BEGIN y <= a AND b; PROCESS (a,b,c) Deklarationer -- inga signaler, men signaler är OK VARIABLE v: bit; BEGIN v1 := (a OR b); v := v1 AND c; w <= a XOR v; END PROCESS; z <= c XOR b; END first; Parallella processer Satserna i processen sker sekventiellt Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Identifierare i VHDL Identifierare Är namn på saker DU skapar T.ex. namn på arkitektur, entity, process, variabel, signal Regler för namn Får ej vara ett reserverat ord i VHDL (t.ex for och if) Stora och små bokstäver tolkas lika (case-insensitive) Första tecknet måste vara en bokstav Sista tecknet får ej vara underscore (_) Det får inte finnas två underscore efter varandra (__) Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Dataobjekt i VHDL Objekt är saker som kan hålla ett värde Objekten har klass och typ (class, type) Class bestämmer vilka slags operationer man kan göra Type bestämmer vilka värden som är giltiga De kan tilldelas ett startvärde (endast för simulering) De deklareras i entity, architecture, process, eller package Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Klasser i VHDL Signal Dess värde ändras som funktion av tiden Den har en signaldrivare och kan ses som en fysisk ledning Variable Dess värde ändras omedelbart vid tilldelning Inga tidsbegrepp finns relaterade till den Constant Dess värde kan inte ändras File Värde från extern fil kan skrivas och läsas Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Datatyper i VHDL VHDL har hårda krav på datatyper Objekt av olika grundtyper kan inte tilldelas varandra direkt Vid typkonvertering ska konverteringsfunktioner användas Två huvudkategorier av datatyper Skalärer (scalar) Kan anta ett enda värde Exempel: enumeration, integer, float, physical Sammansatta (composite) Kan anta flera värden Exempel: array, record Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Skalärer Enumeration (uppräkningsbara) En lista med distinkta värden en variabel kan anta Ex: type weekday = (mon, tue, wed, thu, fri, sat, sun); Integer En mängd heltal – positiva och negativa En fördefinierad datatyp Integer är av 32-bitar med tecken –(231-1 till +(231-1) Ett begränsat område används vid beskrivning av hårdvara Ex: variable num: integer range –64 to 64 Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Skalärer Flyttal Datatypen för flyttal är den fördefinierade typen real 32-bitars enkel precision Används inte för hårdvarubeskrivningar Resulterar i för komplex hårdvara Physical Datatyp för fysikaliska storheter Ex. time, mA, Volt Har ingen betydelse vid beskrivning av hårdvara Bengt Oelmann -- copyright 2002

Exempel på uppräkningsbara datatyper Fördefinierade datatyper (1076) type boolean is (FALSE, TRUE); type bit is (’0’,’1’); Fördefinierade datatyper (1164) Std_logic Std_ulogic Samt arrayer av dessa och dess under-typer Tillgång till dessa får genom att inkludera biblioteket: LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Std_logic type std_ulogic is ( ‘U’, -- Uninitialized ‘X’ -- Forcing unknown ‘0’ -- Forcing zero ‘1’ -- Forcing one ‘Z’ -- High impedance ‘W’ -- Weak unknown ‘L’ -- Weak zero ‘H’ -- Weak one ‘-’);-- Don’t care subtype std_logic is resolved std_ulogic; Definition av std_logic Skrivs först i VHDL-programkoden för att inkludera biblioteket library IEEE; use IEEE.std_logic_1164.all; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Sammansatta datatyper Arrayer Exempel på deklaration av en bit-vektor om 8 bitar signal s1: bit_vector(7 downto 0); variable v1: bit_vector(7 downto 0); Tilldela bit-vektor det binära talet 11010010 s1 <= ”11010010”; v1 := ”11010010”; Tolkas som den minst signifikanta biten Tolkas som den mest signifikanta biten Bengt Oelmann -- copyright 2002

Operationer i VHDL Relationsoperatorer Aritmetiska operationer Symbol = likhet /= olikhet < Mindre än > Större än <= Mindre än eller lika >= Större än eller lika Symbol Operation + addidion - subtraktion * multiplikation / division abs absolutvärde rem rest mod modulus ** exponent Operationer som stöds av syntesverktyg Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 ETAC48 Föreläsning 2 Parallellitet i VHDL ALU minne register Kontrollenhet architecture name_arch of name is begin end name_arch; Deklaration av signaler Process 1 Process 2 Process 3 Process 4 Parallella satser Varje hårdvarumodul körs parallellt med de andra, därför måste VHDL kunna beskriva parallella processer Bengt Oelmann -- copyright 2002 BO

Simulering av VHDL program För varje invektor svarar den med en utvektor VHDL beskrivning av den digitala konstruktionen Stimuli till kretsen (indata) 010 … 11 011 … 00 011 … 10 000 … 01 110 … 11 111 … 11 Respons från kretsen (utdata) VHDL simulator Bengt Oelmann -- copyright 2002

Simulering av sekventiella händelser Simuleringstid Är den tid kretsen har simulerats (ej verklig tid) Delta-fördröjning Används internt i simulatorn för att köa sekventiella händelser Om man lägger till ett antal delta-fördröjningar till simuleringstiden så blir simuleringstiden densamma Bengt Oelmann -- copyright 2002

Simuleringscykeln för VHDL simulatorn Schemalägg förändringar av signaler i framtida simuleringstid Inga nya händelser gör att simuleringen stannar Starta simulering Uppdatera signaler Exekvera processer Avsluta simulering respons stimuli Endast processer vars insignaler andras aktiveras Driv signalvärden som är schemalagda i aktuell simuleringstid Bengt Oelmann -- copyright 2002

Schemaläggning av signaler Exempel #1, ”inga fördröjningar anges i koden” Tid a, b, x Drivare (av utgången x) Kommentarer 0ns 1, 0, 0 (0, 0ns) (0, 0ns+) p2 körs p.g.a initiering 0ns + 1, 0, 0 (0, 0ns+) 10ns 1, 1, 0 (1,10 ns + ) p2 körs p.g.a att b ändras 10ns+ 1, 1, 1 (1,10 ns + ) Vid t=0 antar vi att: a = ’1’; b = ’0’; x = ’0’ vid t=10 blir sätts b=’1’ 5 10 15 20 x b a p2: process(a, b) begin x <= a and b; end process p2; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Ex: VHDL kod för 3-ing. AND Exempel #4, ”en 3-ingångars AND-grind” x = a(2)• a(1)• a(0) Det nya värdet för x schemaläggs till en tidpunkt efter for-loopen har körts and3: process(a) begin x <= ’1’; for i in 2 downto 0 loop x <= a(i) and x; end loop; end process p3; X är alltid ’0’ i for-loopen X <= a(i) and ’0’  x = ’0’ Tid a2,a1,a0,x Drivare (av utgången x) Kommentarer 0ns 1,1,1,0 (0,0ns) (1,0ns+) (0,0ns+ ) (0,0ns+ ) (0,0ns+ ) and3 körs p.g.a initiering 0ns + 1,1,1,0 (0, 0ns+) Det fungerar inte!! Signaltilledelningar ger upphov till parallella händelser Ordningen på signaltilldelningar i koden spelar ingen roll Bengt Oelmann -- copyright 2002

Ex: VHDL kod för 3-ing. AND ”en 3-ingångars AND” – använd variabler and3: process(a) variable temp: bit; begin temp := ’1’; for i in 2 downto 0 loop tmp := a(i) and temp; end loop; end process p3; Variabeltilldelning sker direkt utan att schemaläggas i framtiden Genom att använda variabler blir koden sekventiell där ordningen på satserna spelar roll Variabler kan endast användas i processer Det fungerar!! Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Processer En process är ett sekventiellt program Flera processer i en arkitektur exekveras parallellt Kommunikation mellan processer sker med signaler Syntax: [<process_namn>:] process [(sensitivitetslista>)] [<deklarationer i processen>] begin <sekventiella satser> end process [<process namn>]; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Aktivering av processer Processen aktiveras då: signal i sensitivitetslistan ändras Signal i wait-satsen ändras Aktiv/exekverande Väntande Processen passiveras då: end process nås i koden wait-sats nås i koden process(a, b, cin) begin s <= a xor b xor cin; end process; Aktiveras om a, b eller c ändrar värde Går i väntande läge process begin s <= a xor b xor cin; wait on a,b,cin end process; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Sekventiella satser Sekventiella satser finns endast inne i processer För sekventiella satser gäller Att deras inbördes ordning i koden spelar roll Att de exekveras i noll simuleringstid Att de har absolut inget att göra med sekventiell logik eller tillståndsmaskiner De sekventiella satserna är IF-THEN-ELSE CASE-WHEN Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 IF-THEN-ELSE Exekverar första sektionen med satser som följer ett sant villkor Ingen annan sektion exekveras label: -- ej nödvändigt if villkor1 then sats1; elsif villkor2 then -- ej nödvändig sektion sats2; else -- ej nödvändig sektion sats3; end if; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Logiskt uttryck med IF-THEN … En serie villkor bildar ett logiskt uttryck f = xa + x’yb + x’y’zc + x’y’z’d process (x, y, z, a, b) begin if x = ’1’ then f <= a; elsif y = ’1’ then f <= b; elsif z = ’1’ then f <= c; else f <= d; end if; end process; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Logiskt uttryck med IF-THEN … Exempel: process (xbus) begin if xbus = "111" then doitnow <= ’1’; else doitnow <= ’0’; end if; end process; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Felaktig användning av IF-THEN … Exempel: process (xbus) begin if xbus = "111" then doitnow <= ’1’; -- en latch kommer att föras in end if; end process; Det finns inget i koden som säger att Utgången ska gå till ’0’ D Q G D-LATCH doitnow Xbus(2) Xbus(1) Xbus(0) Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 CASE-WHEN satsen Exekverar endast en sektion som följs av ett giltigt val eller det som följer efter OTHERS Valen måste vara ömsesidigt uteslutande Samtliga möjliga val måste anges Resulterar i en multiplexer-baserad struktur label: case selector_expression is when val1 => sats1; when val2 => sats2; when val3 => sats3; when OTHERS => sats4; end case; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 CASE-WHEN – exempel 2:1 Multiplexer a b sel z 2:1 MUX case sel is when ’0’ => z <= a; when ’1’ => z <= b; end case; Bengt Oelmann -- copyright 2002

Bengt Oelmann -- copyright 2002 Parallella satser Parallella satser finns på arkitekturnivå För parallella satser gäller Att deras inbördes ordning i koden spelar ingen roll Att resultatet av den schemaläggs som en händelse framtida simuleringstid De parallella satserna är With-select-when When-else Bengt Oelmann -- copyright 2002