VHDL

1. VHDL El nombre proviene de VHSIC Hardware Description Language, donde VHSIC significa Very High Speed Integrated Circuits. Es un lenguaje formal de especificación de hardware que se basa en construcciones dentro de los dominios de Comportamiento y Estructura, soporta el diseño, la verificación y la síntesis de sistemas electrónicos complejos, siendo capaz de modelar tiempos.

2. Unidad de Diseño La unidad VHDL básica de diseño, se usa para modelar un bloque de hardware y consta de una declaración del elemento a modelar (Entity) y una arquitectura del mismo (Architecture). ENTITY ARCHITECTURE

3. Declaración de entity A F B entity NAND2 is port(A,B: in BIT; F: out BIT); end NAND2; Representa la visión externa del bloque

4. Architecture architecture A1 of NAND2 is begin F <= NOT(A and B); end A1; Representa la visión interna del bloque

5. Modelos • Comportamiento • Estructura • Tiempo

6. Entity set Q Q/ reset ENTITY ffrs IS PORT ( set, reset : IN BIT ; q, qb : BUFFER BIT); end ffsr;

7. Comportamiento set reset q qb 2ns ARCHITECTURE comportamiento OF FFRS IS BEGIN q <= NOT ( qb AND set ) AFTER 2 ns; qb <= NOT ( q AND reset ) AFTER 2 ns; END comportamiento; Eventos en el lado derecho disparan las asignaciones concurrentes, se calculan los valores que deberá tomar el lado derecho en el suguiente ciclo de simulación o en el tiempo que indique el retardo AFTER.

8. Concurrencia q <= NOT ( qb AND set ) AFTER 2 ns; qb <= NOT ( q AND reset ) AFTER 2 ns; Concurrencia de las sentencias La primera sentencia es la única que se ejecuta en el tiempo en que set cambió. La segunda sentencia no se ejecutará hasta que ocurra el cambio en q o en la señal reset. Si no ocurre ningún evento en reset antes de 2 ns en que ocurrirá el cambio en q será este último evento el que despierte la segunda asignación. Esta programará un nuevo valor ´0´ para qb dentro de 2ns.

9. Planificación Event scheduling La asignación del nuevo valor de q no ocurre instantáneamente sino que de acuerdo a la cláusula AFTER deberá ocurrir a los 2ns. El mecanismo para retrasar el nuevo valor es llamado “eventscheduling” (planificación del evento). Al asignar un nuevo valor a q el mismo fue planificado para que ocurra 2 ns mas tarde.

10. Estructura ARCHITECTURE netlist OF ffrs IS COMPONENT nand2 PORT ( a, b : IN BIT; c : OUT BIT ); END COMPONENT; BEGIN U1 : nand2 PORT MAP ( set, qb, q ); U2 : nand2 PORT MAP ( reset, q, qb ); END netlist;

11. Instancias En el área de sentencias hay dos sentencias de instancia de componentes. Cada sentencia crea una instancia de un componente en el modelo

12. Control Secuencial Algunas construcciones nos permiten el control condicional dentro del proceso, es decir, sentencias que son ejecutadas cuando una cierta condición es verdadera o no. Otras nos permiten el control iterativo.

13. Control Secuencial ARCHITECTURE secuencial OF ffrs IS BEGIN PROCESS ( set, reset ) BEGIN IF set = ´1´ AND reset = ´0´ THEN q <= ´0´ AFTER 2 ns; qb <= ´1´ AFTER 4 ns; ELSIF set = ´0´ AND reset = ´1´ THEN q <= ´1´ AFTER 4 ns; qb <= ´0´ AFTER 2 ns; ELSIF q <= ´1´ AFTER 2 ns; qb <= ´1´ AFTER 2 ns; END IF; END PROCESS; END secuencial;

14. Procesos y Componentes La unidad básica de la descripción de comportamiento es el process mientras que la unidad básica de la descripción de estructura es el component. Ninguno de los dos puede exitir fuera del cuerpo de la arquitectura, la cual constituye una unidad de biblioteca analizable en forma separada.

15. Comienzo simulación Actualizar señales Ejecutar proceso Fin simulación Modelo de Tiempo Está basado en la respuesta a estímulos: El modelo responde cuando hay un estímulo y luego espera el siguiente estímulo. VHDL tiene un modelo de tiempo en dos etapas que se denomina ciclo de simulación

16. Ciclo de Simulación Actualizar señales Durante la primera etapa del ciclo de simulación se propagan valores a través de las vías de datos (señales). Esta etapa se completa cuando todas las vías hayan sido actualizadas con sus nuevos valores correspondientes a dicho ciclo

17. Ciclo de Simulación Ejecutar proceso Durante la segunda etapa, aquellos procesos que se hallen activos (es decir los que reciban información mediante sus canales sensibles) son puestos en funcionamiento hasta que sean suspendidos.

18. Retardos En este modelo siempre hay cierto retardo entre el tiempo en que un proceso pone un valor en el camino de datos y el tiempo en el cual el camino refleja dicho valor. En particular, si no se asigna un retardo al camino de datos el sistema usa un retardo delta. Este retardo no actualiza el tiempo del reloj de simulación sino que requiere el pasaje a un nuevo ciclo de simulación

19. Conductor de una 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.

20. Asignación concurrente Los “conductores” son creados por sentencias de asignación de señales. Una asignación concurrente de señal dentro de una architecture produce un “conductor” para cada asignación de señal. Asignaciones múltiples producirán “conductores” múltiples de señal.

21. Creación de un conductor ARCHITECTURE t1 OF d1 IS BEGIN a <= b AFTER 10 ns ; a <= c AFTER 10 ns ; END t1;

22. 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.

23. Retardos VHDL incluye dos tipos de retardo para controlar el efecto de la asignación de una pareja valor/tiempo en la forma de onda proyectada para la señal: retardo inercia retardo transporte

24. Transporte B A 0 10 20 30 40 B <= transport A after 20 ns;

25. Significado transporte El retardo de transporte es similar al retardo en un cable donde la salida siempre tiene lugar sin importar el tiempo de duración de la señal. s <= transport value after time_expression;

26. Comportamiento transporte A 1 0 10ns 20ns 30ns 40ns B Las transacciones agendadas para ocurrir antes del retardo de transporte se mantienen como puede verse con el 1

27. RETARDO INERCIAL B A A B 0 10 20 30 40 B <= A after 20 ns;

28. Significado inercial El retardo inercial (default) se usa para representar componentes que requieren que el valor de las entradas persista por un tiempo dado antes de que el componente responda.

29. Consecuencia del retardo inercial A 1 0 10ns 20ns 30ns 40ns B Las transacciones agendadas para ocurrir antes del retardo de transporte se descartan

30. I0 Q I1 I2 I3 S Asignación elegida WITH s SELECT Q <= I0 AFTER 10 ns WHEN 0, I1 AFTER 10 ns WHEN 1, I2 AFTER 10 ns WHEN 2, I3 AFTER 10 ns WHEN 3, ‘X’ AFTER 10 ns WHEN OTHERS; SIGNAL s: INTEGER;

31. a b Asignación condicional s <= 0 WHEN a=‘0’ and b=‘0’ ELSE 1 WHEN a=‘1’ and b=‘0’ ELSE 2 WHEN a=‘0’ and b=‘1’ ELSE 3 WHEN a=‘1’ and b=‘1’ ELSE 4; S SIGNAL s: INTEGER;

32. Sentencia BLOCK(equivalente a hoja de diseño) ARCHITECTURE ... BEGIN ALU: BLOCK SIGNAL qbus ... BEGIN --comportamiento de ALU END BLOCK;

33. GUARDED BLOCKS ARCHITECTURE latch_guard OF latch IS BEGIN G1: BLOCK(clk = ‘1’) -- expresión de guarda BEGIN q <= GUARDED d AFTER 5 ns; qb <= GUARDED NOT(d) AFTER 7 ns; END BLOCK G1; END latch_guard;

34. Generic USE WORK.std_logic_1164.ALL; ENTITY and2 IS GENERIC(rise, fall : TIME; load : INTEGER); PORT ( a,b : in std_logic ; c : out std_logic) ; END and2; ARCHITECTURE load_depend OF and2 IS SIGNAL internal : std_logic; BEGIN internal <= a AND b; c <= internal AFTER (rise + (load * 2 ns)) WHEN internal = '1' ELSE internal AFTER (fall + (load * 3 ns)); END load_depend;

35. Uso del generic COMPONET and2 GENERIC(rise, fall: TIME; load: INTEGER); PORT(ina, inb: IN STD_LOGIC; out1: OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; ... u1: and2 GENERIC MAP(10 ns, 12 ns, 3) PORT MAP(a, b, c);

36. 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.

37. Atributos ´EVENT y ´LAST_VALUE . El atributo ´EVENT es útil para determinar flancos de reloj. Probando si la señal tiene un valor particular y si acaba de cambiar su valor se puede deducir que ha ocurrido un flanco en la señal. Ejemplo:

38. Ejemplo de ‘event ENTITY ffd IS PORT( d, clk : IN BIT; q : OUT BIT ); END ffd; ARCHITECTURE dff OF dff IS BEGIN PROCESS(clk) BEGIN IF ( clk = ´1´) AND ( clk´EVENT ) THEN q <= d; END IF; END PROCESS; END dff;

39. Last_value Este ejemplo muestra como se usa la entrada clk para transferir la entrada d a la salida q durante el flanco de subida de clk. Lo que el ejemplo ignora es que un cambio de ´X´ a ´1´ también actuará como flanco cuando no lo es. Para evitar este inconveniente se usa el atributo ´LAST_VALUE La sentencia IF del ejemplo se transforma en: IF ( clk = ´1 ´ ) AND ( clk´EVENT ) AND ( clk´LAST_VALUE = ´0´ ) THEN q <= d; END IF;

40. Atributo ´LAST_EVENT Este atributo retorna el tiempo desde un evento previo en la señal. Resulta muy útil para probar las restricciones de tiempo de ffs tales como tiempos de setup o tiempos de hold, o bien anchos de pulsos.

41. Aplicación de atributos

42. Código de la aplicación ENTITY ffd IS GENERIC ( setup_time, hold_time : TIME ); PORT( d, clk : IN BIT; q : OUT BIT ); BEGIN setup_check : PROCESS ( clk ) BEGIN IF ( clk = ´1´) AND ( clk´EVENT ) THEN ASSERT ( d´LAST_EVENT >= setup_time ) REPORT " Violación de Setup" SEVERITY ERROR; END IF; END PROCESS setup_check; END ffd;

43. Atributos de clase de la señal Se usan para crear señales especiales, basadas en otras señales. Estas señales especiales retornan información al diseñador acerca de la señal a la cual está ligado el atributo. La información es similar a la que dan los atributos de función, con la diferencia que estas señales especiales se pueden usar en cualquier lugar en que se pueda usar una señal, incluyendo listas de sensibilidad. Los atributos de señal retornan informaciones tales como si una señal ha permanecido estable por un cierto tiempo, y cuando ha ocurrido una transacción en una señal. También pueden crear una versión retardada de la señal.

44. s´DELAYED [(time) ] crea una versión retrasada de la señal a la cual se liga, del mismo tipo, (si no se especifica time asume delta). s´STABLE [(time) ] crea una señal booleana que es verdadera siempre que la señal de referencia no haya tenido eventos durante el tiempo especificado. s´QUIET [(time) ] crea una señal booleana que es verdadera siempre que la señal de referencia no haya tenido transacciones o eventos durante el tiempo especificado. s´TRANSACTION crea una señal del tipo BIT que invierte su valor con cada transacción o evento que ocurra en s.

45. Atributo ´DELAYED. Tiene la misma funcionalidad que la asignación de señal con retardo tipo transporte, con la diferencia que acá no es necesario declarar una nueva señal. Veamos un ejemplo de su uso. Un método para modelar dispositivos ASIC consiste en colocar retardos relativos al camino de la señal (path-related) en los pines de entrada del elemento de biblioteca. Antes del proceso de layout se colocan "recipientes" para los retardos en las pines de entrada. Luego de completado el layout se llenan esos recipientes con los valores reales de dichos retardos (back annotation) y se vuelve a realizar la simulación. Un método para conseguir esta back annotation de los retardos es usar valores genéricos especificados en la configuración del dispositivo.

46. Uso de generics ENTITY nand2 IS GENERIC ( a_ipd, b_ipd, c_opd : TIME ); PORT( a,b, : IN BIT; c : OUT BIT ); END nand2;

47. Delayed • ARCHITECTURE int_signals OF nand2 IS • SIGNAL inta, intb : BIT; • BEGIN • inta <= TRANSPORT a AFTER a_ipd; • intb <= TRANSPORT b AFTER b_ipd; • intc <= inta NAND intb AFTER c_opd; • END int_signals; • ARCHITECTURE attr OF nand2 IS • BEGIN • c <= a´DELAYED(a_ipd) NAND b´DELAYED(b_idp) AFTER c_opd; • END attr;

48. Retardo de señales En el ejemplo precedente se muestran dos métodos de retardar las señales de entrada por el retado de camino (path delay) mediante dos arquitecturas diferentes para la entity nand2. El primer método usa señales internas transporte-retardadas. Luego se hace el NAND de ambas y se asigna a la salida con cierto retardo inercial. El segundo método hace uso del atributo de señal predefinido ´DELAYED. Las señales de entrada a y b se retardan usando valores genéricos a_ipd (retardo del camino de a) y b_ipd. El NAND de los valores retardados se asigna al puerto de salida c. Otra aplicación del atributo ´DELAYED es probar el tiempo de hold. Para ello usamos una versión retrasada de la señal clk.

49. Reporte de errores ENTITY ffd IS GENERIC ( setup_time, hold_time : TIME ); PORT( d, clk : IN BIT; q : OUT BIT ); BEGIN setup_check : PROCESS ( clk ) BEGIN IF ( clk = '1') AND ( clk'EVENT ) THEN ASSERT ( d'LAST_EVENT >= setup_time ) REPORT "Violacion de Setup" SEVERITY ERROR; END IF; END PROCESS setup_check;

50. Violación de hold hold_check : PROCESS ( clk'DELAYED(hold_time) ) BEGIN IF ( clk'DELAYED(hold_time) = '1') AND ( clk'DELAYED(hold_time)'EVENT ) THEN ASSERT ( d'LAST_EVENT = 0 ns ) OR ( d'LAST_EVENT > hold_time ) REPORT "Violacion de Hold" SEVERITY ERROR; END IF; END PROCESS hold_check; END ffd;