47981 (Основы языка VHDL)

Кафедра "Вычислительная техника"

курсовая работа

На тему: Основы языка VHDL

Москва, 2009

Содержание

1.1 Введение

1.2 Идентификаторы в языке VHDL

1.3 Объекты языка VHDL

1.4 Типы данных

1.5 Операции языка VHDL

1.6 Последовательные операторы

1.7 Параллельные операторы

1.8 Описание интерфейса устройства

1.9 Архитектура

1.10 Особенности синтеза схем по описаниям на языке VHDL

Литература

1.1 Введение

Язык VHDL служит для описания модели цифрового устройства (прибора, системы). Описание на языке VHDL определяет внешние связи устройства (“вид снаружи” или интерфейс) и один или несколько “видов изнутри” (см. рис. 1.1). Вид снаружи задает интерфейс устройства, набор сигналов, которыми устройство обменивается с внешним миром. Этот вид описывает абстрактное представление устройства “в целом” и обозначается английским термином entity, что в дословном переводе означает «сущность» и наиболее точно отражает смысл представления. Однако в литературе термин «сущность» не нашел широкого распространения, для обозначения внешнего описания объекта используются термины «интерфейс объекта», «декларативная часть» и другие. В настоящем пособии будет использоваться термин «интерфейс объекта» или просто «интерфейс».

Рис. 1.1. Цифровое устройство и его модель

Вид изнутри определяет функциональные возможности устройства или его структуру. Внутреннее строение объекта определяет архитектура (architecture body).

Как и в языках программирования, язык VHDL имеет свои правила, в том числе правила описания имен переменных, объектов, типов данных и других параметров. Основные правила языка VHDL описаны в последующих разделах.

1.2 Идентификаторы в языке VHDL

Идентификаторы - это последовательность букв и цифр произвольной длины. Легальными символами являются прописные (A…Z), строчные (a…z), цифры (0…9), знак подчеркивания. Первый символ должен быть буквой, а последний символ не может быть знаком подчеркивания. Строчные и прописные буквы считаются идентичными, например, Count, COUNT и CouNT рассматриваются как один идентификатор. Знаки подчеркивания не должны следовать друг за другом. Комментарии начинаются с двойного дефиса и следуют до конца строки, например,

- это комментарий, он продолжается до конца строки

- это продолжение комментария

entity UART is end -- это комментарий, который следует за декларацией интерфейса устройства.

Следующие идентификаторы зарезервированы для использования в качестве ключевых слов и не могут быть использованы иначе:

1.3 Объекты языка VHDL

Объекты это область хранения данных определенного типа. Создаются объекты посредством декларации объекта, например:

variable COUNT: INTEGER;

В результате порождается объект с именем COUNT, который хранит целочисленную величину. Кроме того, COUNT декларируется как класс variable.

Объекты – данные могут быть трех классов:

- сonstant (константа) - может хранить отдельное значение определенного типа. Это значение присваивается объекту в начале моделирования и не может изменяться в процессе моделирования.

- variable (переменная) - объект этого класса может хранить отдельное значение определенного типа, однако, в процессе моделирования ему могут присваиваться различные значения. Для этого используются выражения присваивания (variable assignment statement).

- signal (сигнал) – объект данного класса имеет предыдущее значение, имеет текущее значение и набор последующих значений.

Объекты класса signal моделируют проводные соединения в схемах, в то время как переменные (variable) и константы (constant) используются для моделирования поведения схемы, они аналогичны объектам, используемым в языках программирования C и Pascal.

Декларация констант

Декларации объектов (object declaration) имеют целью дать имя объекту, объявить его тип, класс и даже присвоить значение. Примеры деклараций констант описаны ниже:

constant RISE_TIME: TIME := 10ns;

constant BUS_WIDTH: INTEGER := 8:

В первом случае объявляется объект RISE_TIME, который хранит значение типа TIME, объекту в начале моделирования присваивается величина 10 наносекунд. Во втором случае объявляется, что BUS_WIDTH (ширина шины) типа INTEGER (целое) и ей присвоено значение 8.

Декларация переменных

Примеры деклараций объектов класса variable приведены ниже:

variable CTRL_STATUS: BIT_VECTOR(10 downto 0);

variable SUM: INTEGER range 0 to 100 := 10;

variable FOUND, DONE: BOOLEAN;

В первом случае декларируется переменная CTRL_STATUS как массив из 11 элементов, причем, каждый элемент типа BIT. Во втором случае переменная SUM декларируется как целое, лежащее в диапазоне от 0 до 100, в начале моделирования переменной присваивается значение 10. Если переменной в начале моделирования не задано значение, то используется значение по умолчанию. Им служит самое “левое” значение в наборе значений данного типа. Например, переменная типа BOOLEAN имеет набор значений (FALSE, TRUE) и в третьем примере начальное значение переменных FOUND и DONE будет взято по умолчанию, т.е. FALSE.

Декларация сигналов

Декларации объектов класса signal схожи с декларациями переменных:

signal CLOCK: BIT;

signal DATA_BUS: BIT_VECTOR(0 to 7);

signal GATE_DELAY: TIME := 10 ns;

В первом примере декларируется объект CLOCK типа BIT, начальное значение при моделировании будет взято по умолчанию, т.е. 0 (набор значений типа BIT: 0,1 и крайнее левое значение 0).

Не все объекты в языке VHDL создаются путем декларирования, например, входные/выходные порты всегда считаются объектами класса signal.

1.4 Типы данных

Каждый объект в языке VHDL может хранить значения, относящиеся к определенному набору. Это множество значений декларируется с помощью объявления типа (type declaration). Тип – это имя, которое связывается с определенным набором значений и набором операций. Некоторые типы предопределены языком VHDL. Например, BOOLEAN имеет набор значений FALSE, TRUE и набор операторов: and, or, nor, nand, not. В языке имеется возможность создавать новые типы с использованием деклараций и задания набора операций.

Все возможные типы в VHDL распадаются на четыре больших категории:

- scalar (скалярные),

- composite (композитные) – они состоят из элементов одного типа (массивы) или различного типа (записи),

- access type (типы доступа) – обеспечивают доступ к данному типу через указатели,

- file types (тип – файл) – обеспечивает доступ к объектам, содержащим последовательности значений данного типа.

В свою очередь скалярные типы подразделяются на четыре вида:

-enumeration (перечислимый тип),

-integer (целый тип),

-physical(физический тип),

-floating point (тип “с плавающей запятой”).

Перечислимый тип

В декларации определяется набор определенных пользователем значений, например:

type MVL is ('U','0','1','Z);

type MICRO_OP is (LOAD, STORE, ADD, SUB, MUL, DIV);

MVL – перечислимый тип с упорядоченным набором значений: 'U', '0', '1', и 'Z'. MICRO_OP имеет набор значений: LOAD, STORE, ADD, SUB, MUL, DIV. Порядок записи значений в декларации определяет лексику, т.е. значение справа всегда больше значения слева: STORE