DLP29006-Engtelecom(2020-2) - Prof. Marcos Moecke

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MURAL DE AVISOS E OPORTUNIDADES DA ÁREA DE TELECOMUNICAÇÕES


Registro on-line das aulas

Unidade 1 - Introdução a disciplina

  • 3 AULAS
Unidade 1 - Introdução a disciplina
Aula 1 (9 Nov)
  • APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA
  • Os materiais, prazos, documentação, histórico de trabalhos anteriores estão publicados nesta wiki.
  • A PÁGINA DA DISCIPLINA contem os materiais que não alteram entre semestre.
  • Nesta página está o REGISTRO DIÁRIO E AVALIAÇÕES.
  • Para a realização e entrega das atividades será utilizada a PLATAFORMA MOODLE. Chave para auto inscrição (engtelecom2020-2)
  • Durante a pandemia do COVID19 os encontros síncronos serão realizados através da plataforma Google Meet. Os encontros (havendo a concordância de todos) serão gravados, e ocorrerão nos horários normais das aulas. As aulas terão duração de 1h15 minutos com possibilidade de ainda acrescer 15 minutos previstos para esclarecimento de dúvidas. As gravações ficarão disponíveis por 30 dias no Drive do aluno, mas não poderão ser baixadas por limitação do sistema.
  • Além dos horários de aula síncrona, serão agendados horários de ATENDIMENTO EXTRACLASSE para que os alunos possam tirar dúvidas da disciplina ou das ferramentas de ensino.
  • Para a comunicação entre professor-aluno, além dos avisos do SIGAA, utilizaremos a plataforma SLACK. Sugere-se que os alunos também a utilizem para comunicação entre eles, principalmente nos trabalhos em equipe.


Aula 2 (10 Nov)
  • Introdução aos dispositivos lógicos programáveis:
  • Conceito, tipos de PLDs
  • SPLD: PAL, PLA e GAL
  • CPLDs
Exemplos de PLDs

Figura 1.1 - Macrobloco do PLD EP300 da ALTERA
Ep310 macrocell.jpg
FONTE: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html.

Figura 1.2 - Macrocélula dos PLDs Clássicos EP600, EP900, EP1800 da ALTERA (1999)
Macrocell EP900.png
FONTE: https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ds/archives/classic.pdf.

Figura 1.3a - Architetura do PLD EP1800 da ALTERA
Ep1800 block diagram.jpg
FONTE: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html.

Figura 1.3b - Architetura do PLD EP1800 da ALTERA
Ep1800 block diagram2.jpg
FONTE: https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ds/archives/classic.pdf.

Figura 1.5 - Pinagem e tipos de encapsulamento do PLD EP1800 da ALTERA
PackagePinOut EP1810.png
FONTE: https://www.altera.com/content/dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ds/archives/classic.pdf.

Figura 1.6 - Architetura do CPLD MAX 5000 da ALTERA
Max 5000 architecture.jpg
FONTE: https://www.altera.com/solutions/technology/system-design/articles/_2013/in-the-beginning.html.
  • Preços
  • Fabricantes de DLPs/FPGAs e familias de DLPs atuais.
  • Ver também:
Aula 3 (12 nov)
  • Arquitetura de FPGAs (Xilinx e Altera): CLB, LAB, RAM, DSP, Clock, PLL, I/O
Exemplos de FPGA

Figura 1.7 - Arquitetura simplificada de FPGA da Intel/Altera e Xilinx
ArquiteturaFPGAs.png
FONTE: [1] pag. 423.

Figura 1.8 - Diagrama simplificado da Slice L de um FPGA Xilinx
SliceL FPGAs.png
FONTE: [1] pag. 424.

Figura 1.9 - Diagrama simplificado da ALM de um FPGA Intel/Altera
ALM FPGAs.png
FONTE: [1] pag. 425.

Figura 1.10 - Leiaute de um FPGA Intel/Altera
Leiaute FPGAs.png
FONTE: [1] pag. 426.

Figura 1.11 - Leiaute de um FPGA Xilinx genérico
Leiaute2 FPGAs.jpg
FONTE: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750678667500032.

Figura 1.12 - Roteamento de sinal em um FPGA
Roteamento FPGAs.jpg
FONTE: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750678667500032.

Figura 1.13 - Tecnologias usadas na configuração de FPGAs
FPGA programming.png
FONTE: https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/one-time-programmable.
Leituras complementares para a unidade
  • Historia, processo de produção dos chips.
Curiosidades do mundo digital

Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS

  • 3 AULAS
Unidade 2 - Introdução ao VHDL e ambienta EDA - QUARTUS
Aula 4 (16 nov)
  • Introdução ao VHDL e ambiente EDA - QUARTUS

Figura 2.1 - Fluxo simplificado do projeto de FPGA
FPGA project low.png
FONTE: Próprio autor.
  • Ferramentas de projeto
  • Altera|Intel: Quartus II, Quartus Prime (síntese, simulação gráfica e programação do dispositivo)
  • Xilinx|AMD: ISE e Vivado (síntese, simulação gráfica e programação do dispositivo)
  • Mentor Graphics: Precision RTL Plus + LeonardoSpectrum (síntese), Modelsim (projeto e simulação)
  • Mathworks: Matlab/Simulink/HDL Coder (projeto e simulação)
  • Estrutura do código VHDL
  • Declaração das bibliotecas e pacotes LIBRARY / PACKAGE
 library library_name;
 use library_name.package_name.all;
  • ENTITY
 entity entity_name is
   [generic (
     cons_name1: const_type const_value;
     cons_name2: const_type const_value;
     ...
     cons_nameN: const_type const_value);]
   [port (
     signal_name1: mode signal_type;
     signal_name2: mode signal_type;
     ...
     signal_nameN: mode signal_type);]
   [declarative_part]
 [begin
   statement_part]
 end [entity] [entity_name];
  • ARCHITECTURE
 architecture arch_name of entity_name is
   [declarative_part]
 begin
   statement_part
 end [architecture] [arch_name];
  • Exemplo - Declaração de uma porta NAND em VHDL
library std;
use std.standard.all;

entity nand_gate is
	port (a, b: in bit; x: out bit);
end entity;

architecture nome_arch of nand_gate is
begin
	x <= a nand b;
end architecture;
  • Exemplo 2.2 (VHDL) - programação de um flip-flop
 -- Declaração das bibliotecas e pacotes
 LIBRARY ieee;
 USE ieee.std_logic_1164.all;

 -- Especificação de todas as entradas e saídas do circuito
 ENTITY flip_flop IS
  PORT (d, clk, rst: IN STD_LOGIC;
   q: OUT STD_LOGIC);
 END;
  
 -- Descrição de como o circuito deve funcionar
 ARCHITECTURE flip_flop OF flip_flop IS
 BEGIN
  PROCESS (clk, rst)
  BEGIN
   IF (rst='1') THEN
    q <= '0';
   ELSIF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
    q <= d;
   END IF;
  END PROCESS;
 END;

Figura 2.2 - Código RTL do Exemplo 2.2
RTL Ex2 2 Pedronib.png
FONTE: Próprio autor.
  • Use o Technology Map Viewer para ver a como o circuito foi mapeado para os elementos lógicos disponíveis no dispositivo FPGA selecionado (EP1C3T100A8)

Figura 2.3 - Technology Map do Exemplo 2.2
TM Ex2 2 Pedronib.png
FONTE: Próprio autor.

Figura 2.4 - Chip Planner do Exemplo 2.2
ChipPlanner Ex2 2 Pedronib.png
FONTE: Próprio autor.
  • Modifique o circuito do flip-flop para que ele passe a ter 4 flip-flops

Figura 2.5 - RTL 4 FF
RTL 4FF.png
FONTE: Próprio autor.
Aula 5 (19 nov)
  • Realize as simulações funcional e temporal do circuito com 4 FF usando o QSIM.

Figura 2.6 - Simulação Funcional de 4 FF 100ns
SIM1 4FF.png
FONTE: Próprio autor.

Figura 2.7 - Simulação Temporal de 4 FF 100ns
SIM2 4FF.png
FONTE: Próprio autor.

Note que na simulação funcional a mudança da saída Q ocorre no instante em que ocorre a borda de subida do clock ou no momento do reset. No entanto, no caso da simulação com timing, existe um atraso de ~6ns nestas mudanças.

IMPORTANTE: Na prática normalmente não é necessário fazer a simulação temporal, pois através do Time Quest Report é possível verificar se o circuito atende as restrições de tempo.

  • Para definir as restrições de tempo do clock por exemplo, pode ser adicionado um arquivo .sdc ao projeto definindo a frequência do clock esperada através da seguinte linha:
create_clock -name CLK50MHz -period 50MHz [get_ports {*}]
  • Uso de alguns sites auxiliares para a programação em VHDL:
  • Exemplo de um contador em VHDL. COUNTER na página de VHDL da Wikipedia.
  • Objetivos: Copiar e colar o código no Quartus; diferença entre analise e síntese e compilação; observar o RTL (usar UNGROUP); simulação funcional e simulação temporal; observar os atrasos de propagação na simulação temporal.
Aula 6 (23 nov)
  • Uso das bibliotecas no VHDL.
  • Library std
O Package standard: é parte do VHDL desde a primeira versão (1987). Ela contem definição de tipos de dados (BIT, INTEGER, BOOLEAN, CHARACTER, etc.) e seus operadores logicos, aritméticos, de comparação e shift.
O Package textio fornece os recurso para o tratamento de textos e arquivos, que podem ser utilizados na simulação.
  • Como declarar e usar os pacotes da biblioteca std.
Note que esses pacotes são implicitamente carregados não precisando ser declarados. Ambos pacotes foram expandidos no VHDL 2008.
-- NAO É NECESSARIO DECLARAR
library std;
use std.standard.all;
use std.textio.all;
  • Onde estão os arquivos dessa biblioteca na versão Quartus II instalada nos computadores do IFSC e na IFSC_CLOUD?
ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/std
  • Library ieee
O Package std_logic_1164 define os tipos de dados STD_ULOGIC e STD_LOGIC.
O Package numeric_std define os tipos de dados SIGNED e UNSIGNED e seus operadores considerando o tipo STD_LOGIC como base.
O Package numeric_bit define os tipos de dados SIGNED e UNSIGNED e seus operadores considerando o tipo BIT como base.
O Package numeric_std_unsigned introduz operadores sobre o tipo STD_LOGIC_VECTOR, considerando os como números sem sinal.
O Package numeric_bit_unsigned introduz operadores sobre o tipo BIT_VECTOR, considerando os como números sem sinal.
O Package fixed_pkg (e pacotes associados) definem os tipos de ponto fixo unsigned (UFIXED) e signed (SFIXED) e seus operadores.
O Package float_pkg (e pacotes associados) definem o tipo de ponto flutuante (FLOAT) e seus operadores.
  • Pacotes não padronizados (NÃO UTILIZAR)
O Package std_logic_arith define os tipos de dados SIGNED e UNSIGNED e seus operadores. Deve ser sempre substituído por pelo pacote padrão equivalente numeric_std. (disponível da Mentor e Synopsys)
O Package std_logic_unsigned é semelhante ao numeric_std_unsigned. (disponível da Synopsys)
O Package std_logic_signed é semelhante ao acima operando sobre números com sinal. (disponível da Synopsys)
  • Como declarar e usar os pacotes da biblioteca ieee.
library ieee;
-- UTILIZAR ESTES PACOTES
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

-- NAO UTILIZAR ESTES PACOTES
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_signed.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
  • Onde estão os arquivos dessa biblioteca na versão Quartus II versão 13.0sp1 instalada nos computadores do IFSC e na IFSC_CLOUD?
Os pacotes padrão:
ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/ieee
Os pacotes não padrão:
ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/mentor/arithmetic  (Mentor Graphics)
ls /opt/altera/13.0sp1/quartus/libraries/vhdl/synopsys/ieee (Synopsys)
  • Os arquivos dessa biblioteca do padrão (versão 2008) estão apenas disponíveis a partir do Quartus II versão 16.0 instalado na IFSC_CLOUD?
ls /opt/altera/16.0/quartus/libraries/vhdl/ieee/2008
  • Exemplo 2.3 (VHDL e QSIM) - programação de um circuito somador com registrador
Realizar as simulações funcional e temporal do circuito
Observar o "Technology Map" e o "RTL" do circuito
 LIBRARY ieee;
 USE ieee.std_logic_1164.all;

 ENTITY registered_comp_add IS
  PORT (clk: IN STD_LOGIC;
   a, b: IN INTEGER RANGE 0 TO 7;
   reg_comp: OUT STD_LOGIC;
   reg_sum: OUT INTEGER RANGE 0 TO 15);
 END;

 ARCHITECTURE circuit OF registered_comp_add IS
  SIGNAL comp: STD_LOGIC;
  SIGNAL sum: INTEGER RANGE 0 TO 15;
 BEGIN
  comp <= '1' WHEN a>b ELSE '0';
  sum <= a + b;
  PROCESS (clk)
  BEGIN
   IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
    reg_comp <= comp;
    reg_sum <= sum;
   END IF;
  END PROCESS;
 END;
Acrescente saídas para o sinal sum e para o sinal comp, de modo a poder observar estes sinais no simulador QSIM e realize novas simulações funcional e temporal.

Figura 2.10 - Código RTL do Exemplo 2.3
RTL Ex2 3 Pedronib.png
FONTE: Próprio autor.

Note que na simulação funcional a mudança da saída Q ocorre no instante em que ocorre a borda de subida do clock ou no momento do reset. No entanto, no caso da simulação com timing, existe um atraso nestas mudanças.

IMPORTANTE: Na prática normalmente não é necessário fazer a simulação temporal, pois através do Time Quest Report é possivel verificar se o circuito atende as restrições de tempo.

  • Para definir as restrições de tempo do clock por exemplo, pode ser adicionado um arquivo .sdc ao projeto definindo a frequencia do clock esperada através da seguinte linha:
create_clock -name CLK50MHz -period 50MHz [get_ports {*}]
ver Tutorial do QSIM - Introduction to Simulation of VHDL Designs da ALTERA.
Ver pag. 3 a 24 de [2]

Video motivational para apreender FPGA, VHDL Microsoft's Bing* Intelligent Search with Intel® FPGAs

Unidade 3 - Tipos de Dados e Operadores em VHDL

  • 11 AULAS
Unidade 3 - Tipos de Dados e Operadores em VHDL
Aula 7 (24 nov)
  • Comentários no código (duplo traço --)
-- Isso eh uma linha de comentario
y <= a * b ; --o sinal y recebe o resultado da multiplicacao a x b 
  • Representação de caracteres, strings e números em VHDL.
  • Caracteres (entre aspas simples)
caracter:  'A' 'x' '#' (com aspas simples)
  • Palavras (entre aspas duplas)
string: "IFSC" "teste" "teste123"
  • Números em geral
elemento ("bit") único:  '0' '1' 'Z' (entre aspas simples)
vetor de elementos ("bits"): "0110"  "101001Z" (entre aspas duplas)
vetor de 1 elemento ("bit"): "0" "1" (entre aspas duplas)
inteiros: 5 1101 1102  (sem aspas)
  • Números binários:
0 -> '0'
7 (em base 2) -> "0111" ou b"0111" ou B"0111"
1023 (em base 2) -> "001111111111" ou b"1111111111"  ou B"1111111111" 
  • Números octais:
44  (em base 8) ->  5*8^1 + 4*8^0  -> O"54" ou o"54"
1023 (em base 8)->  1*8^3 + 7*8^2 + 7*8^1 + 7*8^0 -> o"1777" 8#1777#
  • Números Hexadecimais:
1023 (em base 16) -> 3*16^2 + 15*16^1 + 15*16^0 = X"3FF" ou x"3FF" 16#3FF#
  • Números decimais:
1023 -> 1023 ou 1_023
1000 -> 1000 ou 1_000 ou 1E3
Cuidado ao usar o "_" pois algumas ferramentas não o reconhecem.
  • Números em outras bases (de 2 a 16)
85 (em base 5) ->  (3*5^2 + 2*5^1 + 0*5^0) -> 5#320#
1539 (em base 3) -> (2*3^2+0*3^1+1*3^0)*3^4 -> 3#201#E4 
  • Tipos de dados em VHDL.
  • Objetos de VHDL: CONSTANT, SIGNAL, VARIABLE, FILE.
constant <constant_name> : <type> := <constant_value>;

A constant pode ser declarado na parte declarativa da ENTITY, ARCHITECTURE, PACKAGE, PACKAGE_BODY, BLOCK, GENERATE, PROCESS, FUNCTION e PROCEDURE.

-- Signal sem valor default
-- Para atribuir um valor a um signal use  "<=" como operador. 

signal <name> : <type>;

-- Signal com valor default
signal <name> : <type> := <default_value>;

-- Declarações comuns de signals

signal <name> : std_logic;
signal <name> : std_logic_vector(<msb_index> downto <lsb_index>);
signal <name> : integer;
signal <name> : integer range <low> to <high>;

O signal pode ser declarado na parte declarativa da ENTITY, ARCHITECTURE, PACKAGE, BLOCK, GENERATE. Os sinais não podem ser declarados no código sequencial (PROCESS, FUNCTION e PROCEDURE), mas podem ser usados.

-- Variables devem ser declarada em process ou subprogramas.
-- Para atribuir um valor a um variable use  ":=" como operador.

-- Variable sem valor default.	
variable <name> : <type>;

-- Variable com valor default.
variable <name> : <type> := <default_value>;

-- Declarações comuns de variables
variable <name> : std_logic;
variable <name> : std_logic_vector(<msb_index> downto <lsb_index>);
variable <name> : integer;
variable <name> : integer range <low> to <high>;

O variable (variável) só pode ser declarada e usada dentro do escopo no código sequencial (PROCESS, FUNCTION e PROCEDURE).

  • Palavra chave OTHERS para formação de agregados

Exemplos de declaração de CONSTANT, SIGNAL, VARIABLE, inicializando o valor usando o agregados

CONSTANT a: BIT_VECTOR(5 DOWNTO 0) := (OTHERS => '0');  --  "000000"

CONSTANT b: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) := (7 => '0', OTHERS => '1');  -- "01111111"
CONSTANT c: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) := (7 => '0', 6 DOWNTO 0 => '1');  -- "01111111"
CONSTANT d: BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0) := "01111111";

SIGNAL e: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);   -- Not initialized
SIGNAL f: STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 8) := (2|3|8 => '1', 4 => 'Z', OTHERS => '0' ); -- "011Z0001"

VARIABLE g: BIT_VECTOR(1 TO 16);  -- Not initialized
VARIABLE h: BIT_VECTOR(1 TO 16) := (1 TO 8 => '1', OTHERS => '0');  -- "1111111100000000"
Ver pag. 31 a 35 de [2]
  • ATENÇÃO!!! Não use as bibliotecas que não são padrão (std_logic_arith, std_logic_unsigned, std_logic_signed)
  • Classificação dos tipos de dados.

A biblioteca standard.vhd define os tipos BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, INTEGER, NATURAL, POSITIVE, CHARACTER, STRING.

	package standard is
	type boolean is (false,true); 
	type bit is ('0', '1');
	type severity_level is (note, warning, error, failure); 
	type integer is range -2147483647 to 2147483647; 
	type real is range -1.0E308 to 1.0E308; 
	type time is range -2147483648 to 2147483647 
		units 
			fs;
			ps = 1000 fs;
			ns = 1000 ps;
			us = 1000 ns; 
			ms = 1000 us; 
			sec = 1000 ms; 
			min = 60 sec; 
			hr = 60 min; 
		end units;
	subtype natural is integer range 0 to integer'high; 
	subtype positive is integer range 1 to integer'high; 
	type string is array (positive range <>) of character; 
	type bit_vector is array (natural range <>) of bit;

A biblioteca Std logic 1164.vhd define os tipos STD_(U)LOGIG, STD_(U)LOGIG_VECTOR.

	PACKAGE std_logic_1164 IS
	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
                       );
	TYPE std_ulogic_vector IS ARRAY ( NATURAL RANGE <> ) OF std_ulogic;
	SUBTYPE std_logic IS resolved std_ulogic;
	TYPE std_logic_vector IS ARRAY ( NATURAL RANGE <>) OF std_logic;

A biblioteca Std logic 1164.vhd ainda define algumas funções importantes como a rising_edge que determina se um sinal está na borda de subida (usado em sinais de clock).

    -------------------------------------------------------------------
    -- conversion functions
    -------------------------------------------------------------------
    FUNCTION To_bit             ( s : std_ulogic;        xmap : BIT := '0') RETURN BIT;
    FUNCTION To_bitvector       ( s : std_logic_vector ; xmap : BIT := '0') RETURN BIT_VECTOR;
    FUNCTION To_StdULogic       ( b : BIT               ) RETURN std_ulogic;
    FUNCTION To_StdLogicVector  ( b : BIT_VECTOR        ) RETURN std_logic_vector;

    -------------------------------------------------------------------    
    -- edge detection
    -------------------------------------------------------------------    
    FUNCTION rising_edge  (SIGNAL s : std_ulogic) RETURN BOOLEAN;
    FUNCTION falling_edge (SIGNAL s : std_ulogic) RETURN BOOLEAN;

   -------------------------------------------------------------------    
    -- edge detection
    -------------------------------------------------------------------    
    FUNCTION rising_edge  (SIGNAL s : std_ulogic) RETURN BOOLEAN IS
      -- altera built_in builtin_rising_edge
    BEGIN
        RETURN (s'EVENT AND (To_X01(s) = '1') AND 
                            (To_X01(s'LAST_VALUE) = '0'));
    END;

A biblioteca Numeric std.vhd define os tipos UNSIGNED e SIGNED.

package NUMERIC_STD is
  type UNSIGNED is array (NATURAL range <>) of STD_LOGIC;
  type SIGNED is array (NATURAL range <>) of STD_LOGIC;

A biblioteca Numeric std.vhd ainda define os operadores (abs, "+", "-", "*", "\", rem, mod, sll, slr, ror, rol), comparações ("=", '/=', ">", ">=", "<", "<=") e operadores lógicos (not, and, nand, or, nor, xor, xnor) para os tipos SIGNED e UNSIGNED. Além disso também define algumas funções muito utilizadas como:

  --============================================================================
  --   RESIZE Functions
  --============================================================================
  function RESIZE (ARG: SIGNED; NEW_SIZE: NATURAL) return SIGNED;
  function RESIZE (ARG: UNSIGNED; NEW_SIZE: NATURAL) return UNSIGNED;

  --============================================================================
  -- Conversion Functions
  --============================================================================
  function TO_INTEGER (ARG: UNSIGNED) return NATURAL;
  function TO_INTEGER (ARG: SIGNED) return INTEGER;
  function TO_UNSIGNED (ARG, SIZE: NATURAL) return UNSIGNED;
  function TO_SIGNED (ARG: INTEGER; SIZE: NATURAL) return SIGNED;
  • Resumo dos Tipos predefinidos.
Tipo de Dado Package Library Valores Observações
BOOLEAN standard std TRUE e FALSE sintetizável
BIT standard std valores '0', '1' sintetizável
INTEGER standard std números inteiros de 32 bits [de -2^31 até + (2^31 - 1)] sintetizável
NATURAL standard std números inteiros não negativos [de 0 até + (2^31 - 1)] sintetizável
POSITIVE standard std números inteiros positivos [de 1 até + (2^31 - 1)] sintetizável
BOOLEAN_VECTOR standard (2008) std vetor de BOOLEAN sintetizável
BIT_VECTOR standard std vetor de BIT sintetizável
INTEGER_VECTOR standard std vetor de INTEGER sintetizável
REAL standard std números reais [de -1.0E-38 até + 1.0E38] simulação
CHARACTER standard std caracteres ASCII
STRING standard std vetor de CHARACTER
STD_LOGIC std_logic_1164 ieee valores 'U', 'X', '0', '1', 'Z', 'W', 'L', 'H', '-' sintetizável
STD_LOGIC_VECTOR std_logic_1164 ieee vetor de STD_LOGIC sintetizável
SIGNED numeric_std ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável
UNSIGNED numeric_std ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas sem sinal sintetizável
SIGNED numeric_bit ieee BIT_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável
UNSIGNED numeric_bit ieee BIT_VECTOR que aceitam operações aritméticas sem sinal sintetizável
SIGNED std_logic_arith ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas com sinal sintetizável (não é padrão, não utilizar)
UNSIGNED std_logic_arith ieee STD_LOGIC_VECTOR que aceitam operações aritméticas sem sinal sintetizável (não é padrão, não utilizar)
UFIXED fixed_pkg + (2008) ieee números de ponto fixo sem sinal sintetizável
SFIXED fixed_pkg + (2008) ieee números de ponto fixo com sinal sintetizável
FLOAT float_pkg + (2008) ieee Números de ponto flutuante sintetizável
  • Tipos de dados predefinidos: FIXED e FLOAT (apenas conhecer)
  • Desafio - Fazer um circuito que detecte se existe alguma vaga vazia em um lote de 5 vagas. A entrada x(n) está baixo '0' se a vaga está vazia, e alto '1' se tem carro. A saída y estará alta '1' sempre que houver uma ou mais vagas vazias, e em baixo '0' se não houver nenhuma vaga.
  • Faça a simulação do circuito para ver se está funcionando,

Figura 3.1 - Simulação do indicador de vagas
Vagas5.png
FONTE: Próprio autor.
Ver função resize
Ver pag. 73 a 78 de [2]


Aula 8 (26 nov)
  • Exemplo 3.1 Buffer Tri-state
  • Ver como funciona em [2]
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity tri_state is
  generic (N: NATURAL := 1);
  port 
  (
    input      : in std_logic_vector(N-1 downto 0);
    ena        : in std_logic;
    output     : out std_logic_vector(N-1 downto 0);
  );
end entity;

architecture tri_state of tri_state is
begin
  output <= input when ena = '1' else "Z";
end architecture;
  • Corrija os erros do código e verifique o modelo RTL obtido.
  • Em seguida modifique as portas input e output para o tipo std_logic.
  • Analise se seria possível modificar as portas para o tipo bit.
Importante: O terceiro estado 'Z' só pode ser usado em saídas, e a sua realização nos FPGAs só ocorre nos nós de I/O.
  • Exemplo 3.2 Circuito com Saida "don't care"
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity Ex3_2 is
  port 
  (
    x : in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
    y : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0)
  );
end entity;

architecture un3 of Ex3_2 is
begin
  y <= "00" when x = "00" else
       "01" when x = "10" else
       "10" when x = "01" else
       "--";
end architecture;
  • Inspirado na descrição VHDL acima, tente resolver o Desafio - Fazer um circuito que detecte se existe alguma vaga vazia em um lote de 5 vagas. Cada entrada x(n) está baixo '0' se a vaga está vazia. A saída y estará alta '1' sempre que houver uma ou mais vagas vazias.
Importante: O don't care não funciona como se espera para uma entrada, por isso, use don't care apenas para saídas.
x = "1----" -- não funciona em VHDL
  • Se quiser mesmo usar don't care em entradas use a função std_match do pacote numeric_std
std_match(x, "1----") -- funciona em VHDL


Aula 9 (30 nov)
  • Tipos de dados: SIGNED e UNSIGNED
  • Exemplo 3.3 Multiplicador de 4x4 bits (UN)SIGNED e INTEGER
Código Multiplicador
--LIBRARY ieee;
--USE ieee.numeric_std.all;
--USE ieee.std_logic_1164.all;

ENTITY multiplicador4x4 IS

-- multiplicador usando INTEGER (positivos)
-- PORT (a, b: IN INTEGER RANGE 0 TO 15;   -- min(a) = 0; max(a) = 15       -> 4 bits
-- y: OUT INTEGER RANGE 0 TO 225);         -- min(a*b) = 0, max(a*b) = 225  -> 8 bits

-- multiplicador usando INTEGER (positivos e negativos)
-- PORT (a, b: IN INTEGER RANGE -8 TO 7;   -- min(a) = -8; max(a) = 7       -> 4 bits
-- y: OUT INTEGER RANGE -56 TO 64);        -- min(a*b) = -56, max(a*b) = 64 -> 8 bits 

-- multiplicador usando UNSIGNED
-- PORT (a, b: IN UNSIGNED(3 DOWNTO 0);    -- min(a) = 0; max(a) = 15       <- 4 bits
-- y: OUT UNSIGNED(7 DOWNTO 0));           -- min(a*b) = 0, max(a*b) = 225  -> 8 bits

-- multiplicador usando SIGNED
-- PORT (a, b: IN SIGNED(3 DOWNTO 0);      -- min(a) = -8; max(a) = 7       <- 4 bits 
-- y: OUT SIGNED(7 DOWNTO 0));             -- min(a*b) = -56, max(a*b) = 64 -> 8 bits


-- multiplicador usando STD_LOGIC_VECTOR
-- PORT (a, b: IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);    -- min(a) = 0; max(a) = 15       <- 4 bits
-- y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));           -- min(a*b) = 0, max(a*b) = 225  -> 8 bits

-- multiplicador usando STD_LOGIC_VECTOR
-- PORT (a, b: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);       -- min(a) = -8; max(a) = 7       <- 4 bits 
-- y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));           -- min(a*b) = -56, max(a*b) = 64 -> 8 bits


END ENTITY;

ARCHITECTURE v1 OF multiplicador4x4 IS
BEGIN
 y <= a * b;
END ARCHITECTURE;
  • Observar o número de elementos lógicos, bits usados para representar as entradas e saídas.
  • Observar o código RTL obtido.
  • Realizar a simulação com entradas UNSIGNED e INTEGER na faixa de valores de 0 até 15, e analisar se o valor da saída está correto.
  • Realizar a simulação com entradas SIGNED e INTEGER na faixa de valores de -8 até 7, e analisar se o valor da saída está correto.
  • Realizar a simulação com entradas STD_LOGIC_VECTOR na faixa de valores de 0 até 15, e analisar se o valor da saída está correto. Neste caso será necessário realizar uma conversão de STD_LOGIC_VECTOR para UNSIGNED antes de efetuar a operação de "*", e após a operação é necessário fazer a operação inversa UNSIGNED para STD_LOGIC_VECTOR
  • Realizar a simulação com entradas STD_LOGIC_VECTOR na faixa de valores de -8 até 7, e analisar se o valor da saída está correto. Neste caso será necessário realizar uma conversão de STD_LOGIC_VECTOR para SIGNED antes de efetuar a operação de "*", e após a operação é necessário fazer a operação inversa SIGNED para STD_LOGIC_VECTOR

Ler e guardar a página sobre Aritmética com vetores em VDHL

Ver pag. 39 a 54 de [2]
Aula 10 (3 dez)
  • Operadores em VHDL.
  • Operadores predefinidos: Atribuição, Lógicos, Aritméticos, Comparação, Deslocamento, Concatenação, "Matching".
Operadores lógicos

São suportados nos tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, STD_(U)LOGIC, STD_(U)LOGIC_VECTOR, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para BOOLEAN_VECTOR, UFIXED, SFIXED e FLOAT.

NOT
AND
NAND
OR
NOR
XOR
XNOR                  

Apenas o operador NOT tem precedência sobre os demais

y <=  a AND b XOR c  -- é equivalente a (a AND b) XOR c
y <=  NOT a AND b    -- é equivalente a (NOT a) AND b.
y <=  a NAND b       -- é equivalente a NOT (a AND b)


Operadores aritméticos

São suportados nos tipos de dados: INTEGER, NATURAL, POSITIVE, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para UFIXED, SFIXED e FLOAT.

soma (+)
subtração (-)
multiplicação (*)
divisão (/)
exponenciação (**)
valor absoluto (ABS)
resto (REM remainder)
módulo (MOD)

Não há restrições para síntese de circuitos com os operadores, exceto para "**" que necessita de expoente estático (a**5) ou base estática (5**a).

O operador x/y é a divisão inteira com sinal.

Exemplos: 9/10 = 0; -7/3 = -2; 9/-4 = -2; 20/(-4) = -5.

O operador ABS x retorna o valor absoluto de x.

Exemplos: ABS 6 = 6; ABS -11 = 11.

O operador x REM y retorna o resto de x/y com sinal de x. Esse operador realiza a operação x REM y = x - (x/y)*y.

Exemplos: 9 REM 10 = 9; -7 REM 3 = -1; 9 REM -4 = 1; 20 REM (-4) = 0.

O operador x MOD y retorna o resto de x/y com sinal de y. Esse operador realiza a operação x MOD y = x REM y + a*y, onde a = 1 quando o sinal de x é diferente do sinal de y, e a = 0 se os sinais de x e y são iguais.

Exemplos: 9 MOD 10 = 9 REM 10 = 9; -7 MOD 3 = 2; 9 REM -4 = -3; 20 REM (-4) = 0.


Ver pag. 91 a 97 de [2]
Exemplo de uso de operadores aritméticos
  • Exemplo conversor de binário para BCD - Binary-coded decimal de dois dígitos decimais (00 a 99). Para ilustrar são utilizadas os operadores DIVISOR e RESTO. Note a quantidade de elementos lógicos utilizados. É possível reduzir essa quantidade, aproveitando resultados intermediários e evitando a realização de uma nova divisão pelo uso do operador REM. Faça uma segunda implementação que reduza significativamente o número de elementos lógicos.
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity bin2bcd is
	port 
	(

		C      : in std_logic_vector (6 downto 0);
		sd, su : out std_logic_vector (3 downto 0)
	);
end entity;

architecture ifsc_v1 of bin2bcd is
	signal C_uns          : unsigned (6 downto 0);
	signal sd_uns, su_uns : unsigned (6 downto 0);
begin
	sd     <= std_logic_vector(resize(sd_uns, 4));
	su     <= std_logic_vector(resize(su_uns, 4));
	sd_uns <= C_uns/10;
	su_uns <= C_uns rem 10;
	c_uns  <= unsigned(c);
end architecture;

architecture ifsc_v2 of bin2bcd is

begin
-- Implemente o circuito usando a definição de REM   que é:  x REM y  = x - (x/y)*y
end architecture;

configuration bin2bcd_cfg of bin2bcd is
--A instrução '''configuration''' associa a '''entity''' bin2bcd a '''architecture'''.
	for ifsc_v1 end for;
--Para associar a '''entity''' bin2bcd a '''architecture''' ifsc_v2 comente a linha acima e descomente a linha abaixo.
--	for ifsc_v2 end for;
end configuration;

Figura 3.2 - RTL do conversor de Binário para BCD com 2 digitos
Bin2bcdDU RTL.png
FONTE: Próprio autor.

Figura 3.3 - Simulação do conversor de Binário para BCD com 2 digitos
Bin2bcdDU modelsim.png
FONTE: Próprio autor.
Aula 11 e 12 (7 e 8 dez)

Atributos em VHDL.

  • Atributos de síntese:

Em VHDL existem diversos atributos de sintese que controlam a forma como o processo de "Analysis & Synthesis" é realizado pelo Quartus II. Uma listagem completa pode ser encontrada em:

  • ATTRIBUTE enum_encoding [3]
type fruit is (apple, orange, pear, mango);
attribute enum_encoding : string;
attribute enum_encoding of fruit : type is "11 01 10 00";
  • ATTRIBUTE chip_pin [4]
entity foo is 
   port (sel : in std_logic; 
      data : in std_logic_vector(3 downto 0);
      o : out std_logic);
end foo;
architecture rtl of foo is 
             
   attribute chip_pin : string;
   attribute chip_pin of sel : signal is "C4";
   attribute chip_pin of data : signal is "D1, D2, D3, D4";             
begin 
    -- Specify additional code 
end architecture;

O uso desse atributo sobrepõe a atribuição dos pinos através da IDE do Quartus II, e por isso não é recomendável.

O atributo de síntese chip_pin pode ser usado apenas em portas da entidade "top-level" do projeto. .

  • ATTRIBUTE keep [5]

O atributo de síntese KEEP, sinaliza ao processo de "Analysis & Synthesis" para manter intacto um determinado signal ou componente.

signal a,b,c : std_logic;
attribute keep: boolean;
attribute keep of a,b,c: signal is true;
  • Exemplo 4.4: Delay line (Síntese e Simulação temporal sem o com o atributo keep)
  • Exemplo 5.8 Gerador de Pulsos estreitos
  • ATTRIBUTE preserve [6], [7].
signal a,b,c : std_logic;
attribute preserve: boolean;
attribute preserve of a,b,c: signal is true;
  • ATTRIBUTE noprune[8].
signal reg1: std_logic; 
attribute noprune: boolean; 
attribute noprune of reg1: signal is true;
Exemplo 4.5: Registros redundantes

Síntese sem e com os atributos keep, preserve e noprune

ENTITY redundant_registers IS
	 PORT (
		clk, x: IN BIT;
		y: OUT BIT);
 END ENTITY;
 
 ARCHITECTURE arch OF redundant_registers IS
	 SIGNAL a, b, c: BIT;
         -- NORMAL -- 1 LE
	 --ATTRIBUTE preserve: BOOLEAN;
	 --ATTRIBUTE preserve OF a, b, c: SIGNAL IS TRUE; -- 2 LE 
	 --ATTRIBUTE noprune: BOOLEAN;
	 --ATTRIBUTE noprune OF a, b, c: SIGNAL IS TRUE; --3 LE
	 --ATTRIBUTE keep: BOOLEAN;
	 --ATTRIBUTE keep of a,b,c: SIGNAL IS TRUE;
 BEGIN
	 PROCESS (clk)
	 BEGIN
		 IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
			 a <= x;
			 b <= x;
			 c <= x;
		 END IF;
	 END PROCESS;
	 y <= a AND b;
 END ARCHITECTURE;

Após a compilação do código acima, observe o número de elementos lógicos obtidos, observe o Technology Map dos circuitos gerados e verifique a localização dos FFs no Chip Planner.


Figura 3.4 - Technology Map do circuito compilado sem Attribute
Ex4 5 NoAttribute.png
FONTE: Próprio autor.

Figura 3.5 - Technology Map do Circuito com Attribute Preserve (or Keep)
Ex4 5 PreserveAttribute.png
FONTE: Próprio autor.

Figura 3.6 - Technology Map do Circuito com Attribute Noprune
Ex4 5 NopruneAttribute.png
FONTE: Próprio autor.
Ver pag. 91 a 111 de [2]
  • Operadores de deslocamento (SHIFT)
  • SLL (Shift Left Logic) - Deslocamento a esquerda lógico (preenchimento com '0's das posições a direita.
  • SRL (Shift Right Logic) - Deslocamento a direita lógico (preenchimento com '0's das posições a esquerda.
  • SLA (Shift Left Arithmetic) - Deslocamento a esquerda aritmético (posições liberadas da direita mantém o bit lsb)
  • SRA (Shift Right Arithmetic) - Deslocamento a esquerda aritmético (posições liberadas da esquerda mantém o bit msb)
  • ROL (Rotate Left) - Deslocamento circular a esquerda ( o bit que sai na esquerda é retornado na direita)
  • ROR (Rotate Right) - Deslocamento circular a direita ( o bit que sai na direita é retornado na esquerda)
signal a: bit_vector(7 downto 0) := "01100101";  
y <= a SLL 2; -- y <= "10010100" (y <= a(5 downto 0) & "00";)
y <= a SLA 2; -- y <= "10010111" (y <= a(5 downto 0) & a(0) & a(0);)
y <= a ROR 2; -- y <= "01011001" (y <= a(1 downto 0) & a(7 downto 2);)
Esses operadores são suportados nos tipos BIT_VECTOR, (UN)SIGNED. Em VHDL 2008 também para BOOLEAN_VECTOR, STD_(U)LOGIG_VECTOR, UFIXED e SFIXED.
  • Operador de concatenação (&)
Esse operador é suportado nos tipos BIT_VECTOR, STD_(U)LOGIG_VECTOR, STRING e (UN)SIGNED. Em VHDL 2008 também para INTEGER_VECTOR e BOOLEAN_VECTOR.
É utilizado para agrupar objetos como mostrado nos comentários dos exemplos anteriores
  • Operadores de comparação
São suportados nos tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, BOOLEAN, INTEGER, NATURAL, POSITIVE, CHARACTER, STRING, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para BOOLEAN_VECTOR, INTEGER_VECTOR, UFIXED, SFIXED e FLOAT.
Igualdade (=)
Diferença (/=)
Menor que (<)
Menor ou igual que  (<=)
Maior que (>)
Maior ou igual que (>=)
  • Operadores de comparação de associação (matching comparison)
Foram introduzidos no VHDL 2008, e tem o objetivo de tratar nos tipos baseados no STD_ULOGIC de forma igual os valores lógicos 'H'='1' e também 'L'='0', e 'X'='Z'='W'. São suportados nos tipos de dados: BIT, BIT_VECTOR, STD_(U)LOGIG, STD_(U)LOGIG_VECTOR, SIGNED e UNSIGNED. Com VHDL 2008 também suportado para UFIXED, SFIXED.
Igualdade (?=)
Diferença (?/=)
Menor que (?<)
Menor ou igual que  (?<=)
Maior que (?>)
Maior ou igual que (?>=)


Aula 13 (10 dez)

Para cada atributo existe uma descrição completa como mostrado a seguir.

P'LEFT Kind: Value. 
Prefix: Any prefix P that is appropriate for an object with a scalar type or subtype T, or an alias thereof, or that denotes any scalar type or subtype T.
Result type: Same type as T.
Result: The left bound of T.

A seguir estão listados alguns dos atributos mais utilizados.

  • 16.2.2 Predefined attributes of types and objects (p.270)
P'LEFT - The left bound of T.
P'RIGHT - The right bound of T.
P'HIGH - The upper bound of T.
P'LOW -  The lower bound of T.
P'ASCENDING - It is TRUE if T is defined with an ascending range; FALSE otherwise.
P'LENGTH - maximum(0, T’POS(T’HIGH) – T’POS(T’LOW) + 1)
P'RANGE - The range T'LEFT to T'RIGHT if the range of T is ascending, or the range T'LEFT downto T'RIGHT if the range of T is descending
P'REVERSE_RANGE - The range T'RIGHT downto T'LEFT if the range of T is ascending, or the range T'RIGHT to T'LEFT if the range of T is descending
T'POS(X) - The position number of the value of the parameter
T'VAL(X) - The value whose position number is the universal_integer value corresponding to X.
  • 16.2.3 Predefined attributes of arrays (p.275)
A'LEFT [(N)] - Left bound of the Nth index range of A
A'RIGHT [(N)] -  Right bound of the Nth index range of A
A'HIGH [(N)] - Upper bound of the Nth index range of A
A'LOW [(N)] - Lower bound of the Nth index range of A. 
A'RANGE [(N)] - The range A'LEFT(N) to A'RIGHT(N) if the Nth index range of A is ascending, or the range A'LEFT(N) downto A'RIGHT(N) if the Nth index range of A is descending
A'REVERSE_RANGE [(N)] - The range A'RIGHT(N) downto A'LEFT(N) if the Nth index range of A is ascending, or the range A'RIGHT(N) to A'LEFT(N) if the Nth index range of A is descending.
A'LENGTH [(N)] - Number of values in the Nth index range
A'ASCENDING [(N)] - TRUE if the Nth index range of A is defined with an ascending range; FALSE otherwise.
  • 16.2.4 Predefined attributes of signals (p. 277)
S'EVENT - A value that indicates whether an event has just occurred on signal S.
S'LAST_VALUE - For a signal S, if an event has occurred on S in any simulation cycle, S'LAST_VALUE returns the value of S prior to the update of S in the last simulation cycle in which an event occurred; otherwise, S'LAST_VALUE returns the current value of S.

  • 16.2.5 Predefined attributes of named entities (p. 279)
E'SIMPLE_NAME - The simple name, character literal, or operator symbol of the named entity
  • Atributos definidos pelo usuário;
attribute attribute_name: attribute_type;
attribute attribute_name of entity_tag [signature]: entity_class is value;


Aula 14 (14 dez)
  • Tipos definidos pelo usuário:
  • Escalares (Inteiros e Enumerados)
  • Tipos de Array 1D x 1D, 2D , 1D x 1D x 1D, 3D. Ver : Array em VHDL


Aula 15 (17 dez)
Exemplo 3.5: Array de Integers 1D x 1D

O código abaixo cria um array de inteiros e utiliza as entradas "row" para fazer a leitura dos dados em uma tabela declarada como constant.

entity array_1Dx1D_integer is
	port (
		row   : in integer range 1 to 3;
		slice : out integer range 0 to 15
	);
end entity;

architecture teste of array_1Dx1D_integer is
	type a1Dx1D_integer is array (1 to 3) of integer range 0 to 15;
	constant table : a1Dx1D_integer := (15, 5, 7);
begin
	slice <= table(row);
end architecture;

Responda as seguintes perguntas:

1) Faça um desenho que represente o ARRAY declarado acima.
2) Quantos bits são necessários para representar esse ARRAY?
3) Qual o valor na saída quando a entrada row = 2?
4) Quantos elementos lógicos são necessários para fazer a síntese deste circuito?
Exemplo 3.6: Array de bits 1D x 1D

O código abaixo cria um array de bits e utiliza as entradas "row" e "column" para fazer a leitura dos dados em uma tabela declarada como constant.

entity array_1Dx1D_bit is
  port (
    row : in integer range 1 to 3;
    column : in integer range 0 to 4; --3 bits
    slice1 : out bit;
    slice2 : out bit_vector(1 to 2);
    slice3 : out bit_vector(1 to 4);
    slice4 : out bit_vector(1 to 3)
  );
end entity;

architecture teste of array_1Dx1D_bit is
  type a1Dx1D_bit is array (1 to 3) of bit_vector(1 to 4);
  constant table : a1Dx1D_bit := 
  (('1', '1', '1', '1'), --15
  ('0', '1', '0', '1'), -- 5
  ('0', '1', '1', '1')); -- 7
begin
  --slice1 <= table(row)(column);
  --slice2 <= table(row)(1 to 2);
  --slice3 <= table(row)(1 to 4);
  --slice4 <= table(1 TO 3)(column);
  --slice4 <= table(1)(column) & table(2)(column) & table(3)(column);

  --gen : for i in 1 to 3 generate
  -- slice4(i) <= table(i)(column);
  --end generate;
end architecture;

Responda as seguintes perguntas:

1) Faça um desenho que represente o ARRAY declarado acima.
2) Quantos bits são necessários para representar esse ARRAY?
3) Descomente uma a uma as linhas na architecture. Verifique quais são aceitas pelo compilador? As 3 últimas formam um bloco único
Exemplo 3.7: Array de bits 2D

O código abaixo cria um array de bits e utiliza as entradas "row" e "column" para fazer a leitura dos dados em uma tabela declarada como constant.

entity array_2D_bits is
	port (
		row    : in integer range 0 to 3;
		column : in integer range 0 to 4; --3 bits
		slice1 : out bit;
		slice2 : out BIT_VECTOR(1 to 2);
		slice3 : out BIT_VECTOR(1 to 4);
		slice4 : out BIT_VECTOR(1 to 3)
	);
end entity;
 
architecture teste of array_2D_bits is
	type a2D_bits is array (1 to 3, 1 to 4) of bit;
	constant table : a2D_bits := (('0', '0', '0', '1'), 
		('1', '0', '0', '1'), ('1', '1', '0', '1')
	);
begin
	--slice1 <= table(row, column);
	--slice2 <= table(row, 1 TO 2);
	--slice3 <= table(row, 1 TO 4);
	--slice4 <= table(1 TO 3, column);
	--slice4 <= table(1, column) & table(2, column) & tabl
	--gen : for i in 1 to 3 generate
	--	slice4(i) <= table(i, column);
	--end generate;
end architecture;

Responda as seguintes perguntas:

1) Faça um desenho que represente o ARRAY declarado acima.
2) Quantos bits são necessários para representar esse ARRAY?
3) Descomente uma a uma as linhas na architecture. Verifique quais são aceitas pelo compilador? As 3 últimas formam um bloco único
Notas importantes

A retirada de fatias (SLICES) dos ARRAYs só pode ser feita se o array foi definido com um vetor de vetores (1Dx1D ou 1Dx1Dx1D). Ainda assim é necessário respeitar a ordem dos índices do VETOR. No caso abaixo é ascendente (TO), e dentro dos limites (1 to 4).

type a1Dx1D_bit is array (1 to 3) of BIT_VECTOR(1 to 4); 
  • A retirada de fatias (SLICES) dos ARRAYs por coluna ou em ARRAY 2D ou 3D pode ser feita usando a retirada de elemento a elemento e concatenando-os ou atribuindo-os diretamente ao vetor de saída.
type a2D_bits is array (1 to 3, 1 to 4) of bit;
type a3D_bits is array (1 to 3, 1 to 4, 1 to 2) of bit;
Concatenando por linha (ROW) ou coluna (COLUMN).
 slice3 <= table(row, 1) & table(row, 2) & & table(row, 3) & & table(row, 4);
 slice4 <= table(1, column) & table(2, column) & table(3, column);
Amostrando elemento a elemento por linha (ROW) ou coluna (COLUMN
 gen1 : for j in 1 to 4 generate
  	  slice3(j) <= table(row, j);
	end generate;
 gen2 : for i in 1 to 3 generate
         slice4(i) <= table(i, column);
       end generate;


Aula 16 (21 dez)
Como usar ARRAYs em portas?
  • Declaração do TYPE em PACKAGE
  • Exemplo 3.8: Multiplexador com porta 1D x 1D.::
-----Package:------------
-- File: my_pkg.vhd
-------------------------
package my_data_types is
	type a1Dx1D_bit_vector is array (0 to 3) of BIT_VECTOR(7 downto 0);
end my_data_types;

-----Main code: --------
-- File: my_pkg.vhd
-------------------------
use work.my_data_types.all;

entity mux1Dx1D is
	port (
		x   : in a1Dx1D_bit_vector;
		sel : integer range 0 to 3;
		y   : out BIT_VECTOR(7 downto 0)
	);
end entity;

architecture pedroni of mux1Dx1D is
begin
	y <= x(sel);
end architecture;

Ver pag. 60 a 73 de [2]

A declaração de RECORD

Enquanto que em um ARRAY todos os elementos devem ser obrigatoriamente do mesmo tipo, em um RECORD (Registro) os elementos podem ser de tipos diferentes.

type memory_access is record
address : integer range 0 to 255;
block   : integer range 0 to 3;
data    : BIT_VECTOR(15 downto 0);
end record;
--Escrita no RECORD
constant endereco : memory_access := (34, 3, "010011110101011");

--Acesso ao RECORD
signal address_lido : integer range 0 to 255;
signal block_lido   : integer range 0 to 3;
signal data_lido    : bit_vector(15 downto 0);
address_lido <= endereco.address;
block_lido   <= endereco.block;
data_lido    <= endereco.data;


Um exemplo de uso do RECORD é:

 
entity record_example is
	port (
		flag : out BIT_VECTOR(1 to 4);
		sum  : out natural range 0 to 15
	);
end entity;

architecture record_example of record_example is
	type pair is record
	a, b : natural range 0 to 7;
end record;
type stack is array (1 to 4) of pair;
constant matrix : stack := ((1, 2), (3, 4), (5, 6), (7, 0));
begin
	gen : for i in 1 to 4 generate
		flag(i) <= '1' when matrix(i).a > matrix(i).b else '0';
	end generate;
	sum <= matrix(1).a + matrix(1).b;
end architecture;
As declarações de SUBTYPE

A declaração de SUBTYPE é usada para restringir as declarações de TYPE. Abaixo estão alguns exemplos.

subtype natural is integer range 0 to integer'HIGH;
subtype positive is integer range 1 to integer'HIGH;
subtype my_integer is integer range - 32 to 31;
Uso da declaração ALIAS

A declaração ALIAS define um nome alternativo para uma entidade ou objeto.

 ALIAS new_name [: specifications] IS original_name [signature];
  • Alguns exemplos do uso do ALIAS para objetos (SIGNAL).
SIGNAL data_bus: STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);

--bus1 is a new name for data_bus:
ALIAS bus1 IS data_bus;

--bus2 is a new name for data_bus, but with a modified range:
ALIAS bus2: STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1) IS data_bus;

--bus3 is another name for data_bus, with an ascending range:
ALIAS bus3: STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 32) IS data_bus;

--upper_bus1 is a new name for the upper half of data_bus
ALIAS upper_bus1 IS data_bus(31 DOWNTO 16);

--upper_bus2 is a new name for the upper half of data_bus, but
--with a modified range:
ALIAS upper_bus2: STD_LOGIC_VECTOR(17 TO 32) IS data_bus(31 DOWNTO 16);

--lower_bus1 is a new name for the lower half of data_bus
ALIAS lower_bus1 IS data_bus(15 DOWNTO 0);

--lower_bus2 is a new name for the lower half of data_bus, but
--with a modified range:
ALIAS lower_bus2: STD_LOGIC_VECTOR(1 TO 16) IS data_bus(15 DOWNTO 0);
  • Ver pag. 112 a 113 de [2]
  • Veja um exemplo de uso de alias no pacote numeric_std.vhd
  function ADD_UNSIGNED (L, R: UNSIGNED; C: STD_LOGIC) return UNSIGNED is
    constant L_LEFT: INTEGER := L'LENGTH-1;
    alias XL: UNSIGNED(L_LEFT downto 0) is L;
    alias XR: UNSIGNED(L_LEFT downto 0) is R;
    variable RESULT: UNSIGNED(L_LEFT downto 0);
    variable CBIT: STD_LOGIC := C;
  begin
    for I in 0 to L_LEFT loop
      RESULT(I) := CBIT xor XL(I) xor XR(I);
      CBIT := (CBIT and XL(I)) or (CBIT and XR(I)) or (XL(I) and XR(I));
    end loop;
    return RESULT;
  end ADD_UNSIGNED;
  • NOTA: No exemplo acima, a CONSTANT L_LEFT recebe o tamanho do parâmetro (L), que pode ser qualquer. Esse tamanho é utilizado para criar dois ALIAS para os parâmetros L e R, utilizando uma indexação (L_LEFT DOWNTO 0). Com isso é possível dentro do FOR-LOOP criar os circuitos que realizam as operações lógicas que realizam a operação de soma.
Sobrecarga de operadores
function "+" (a : integer; b : bit) return integer is
		begin
			if (b = '1') then return a + 1;
			else
				return a;
			end if;
end "+";

function "+" (a : integer; b : std_logic) return integer is
		begin
			if (b = '1') then return a + 1;
			else
				return a;
			end if;
end "+";
Ver pag. 91 a 108 de [2]
Como estimar os tempos de propagação?
Aula 17 (22 dez)
  • A implementação de circuitos aritméticos com operadores deve seguir as seguintes recomendações:
  • Para o uso dos operadores o mais adequado é utilizar o padrão industrial STD_LOGIC_VECTOR. Internamente os valores das portas devem ser convertidos ou para valores INTEGER ou para UNSIGNED/SIGNED. para tal é necessário utilizar o pacote numeric_std da biblioteca ieee.

Figura 3.7 - Conversões entre tipos Integer, Unsigned, Signed, Std_logic_vector
Numeric stdConvertions.gif
FONTE: Aritmética com vetores em VDHL.
  • a conversão de um objeto (vetor)a_SLV do tipo STD_LOGIC_VECTOR para um objeto (vetor)a_UNS (a_SIG) do tipo UNSIGNED (SIGNED) é feita pela conversão de tipo UNSIGNED
a_UNS <= unsigned(a_SLV);
a_SIG <= signed(a_SLV); 
  • a conversão de um objeto (vetor) a_UNS (a_SIG) do tipo UNSIGNED (SIGNED) para um objeto (escalar)a_INT do tipo INTEGER é feita pela chamada da função TO_INTEGER
a_INT <= to_integer(a_UNS));
a_INT <= to_integer(a_SIG));
  • a conversão de um objeto (vetor) a_UNS (a_SIG) do tipo UNSIGNED (SIGNED) para um objeto (vetor) a_SLV do tipo STD_LOGIC_VECTOR é feita pela conversão de tipo STD_LOGIC_VECTOR
a_SLV <= std_logic_vector(a_UNS);
a_SLV <= std_logic_vector(a_SIG); 
  • a conversão de um objeto (escalar) a_INT do tipo para um objeto (vetor) a_UNS (a_SIG) do tipo UNSIGNED (SIGNED) é feita pela chamada da função TO_UNSIGNED (TO_SIGNED). Essa função tem um segundo parâmetro que indica o número de bits NBITS desse um objeto (vetor).
a_UNS <= to_unsigned(a_INT,NBITS));
a_SIG <= to_signed(a_INT, NBITS));


  • Também é fundamental considerar a faixa de valores coberta por bits. Para tipos UNSIGNED a faixa é de até , enquanto que para SIGNED a faixa é de até .
  • Assim com 3 bits é possível representar valores entre -4 até 3 com um tipo SIGNED e 0 até 7 com um tipo UNSIGNED.
  • Para uso adequado dos operadores também é necessário considerar o tamanho (número de bits) requerido para o resultado em função do tamanho dos operandos. A declaração dessas funções "+", "-", "*" e "/" no PACKAGE Numeric std.vhd mostra o tamanho a ser obtido no resultado.
 function "+" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED;
  -- Result subtype: UNSIGNED(MAX(L'LENGTH, R'LENGTH)-1 downto 0).
  -- Result: Adds two UNSIGNED vectors that may be of different lengths.

 function "-" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED;
  -- Result subtype: UNSIGNED(MAX(L'LENGTH, R'LENGTH)-1 downto 0).
  -- Result: Subtracts two UNSIGNED vectors that may be of different lengths.

 function "*" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED;
  -- Result subtype: UNSIGNED((L'LENGTH+R'LENGTH-1) downto 0).
  -- Result: Performs the multiplication operation on two UNSIGNED vectors
  --         that may possibly be of different lengths.

 function "/" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED;
  -- Result subtype: UNSIGNED(L'LENGTH-1 downto 0)
  -- Result: Divides an UNSIGNED vector, L, by another UNSIGNED vector, R.
  -- NOTE: If second argument is zero for "/" operator, a severity level of ERROR is issued.

 function "rem" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED;
 -- Result subtype: UNSIGNED(R'LENGTH-1 downto 0)
 -- Result: Computes "L rem R" where L and R are UNSIGNED vectors.

 function "mod" (L, R: UNSIGNED) return UNSIGNED;
 -- Result subtype: UNSIGNED(R'LENGTH-1 downto 0)
 -- Result: Computes "L mod R" where L and R are UNSIGNED vectors.
  • Portanto podemos concluir que:
  • Para operações de "+" ou "-": O tamanho do resultado é igual ao tamanho do maior operando.
Exemplo: r[7..0] = a[7..0] + b[4..0]; a -> 8 bits; b -> 5 bits então r -> 8 bits.
  • Para a operações "*": O tamanho do resultado é igual a soma do tamanho dos dois operandos.
Exemplo: r[12..0] = a[7..0] * b[4..0]; a -> 8 bits; b -> 5 bits então r -> 8+5 = 13 bits.
  • Para "/": O tamanho do resultado é igual ao tamanho do numerador.
Exemplo: r[5..0] = a[5..0] / b[8..0]; a -> 6 bits; b -> 9 bits então r -> 6 bits.
  • No caso da operações de "*" e "/" não ocorre overflow, no entanto no caso da "+" e "-", o overflow/underflow pode ocorrer e precisa ser tratado. Isso pode ser feito acrescentando um bit adicional a saída para conter o overflow ou então sinalizar a sua ocorrência com um bit na saída do circuito. Note que no caso em que ocorrem sucessivas somas, é impraticável ficar aumentando o número de bits para evitar o overflow, de modo que a sinalização do overflow ou uso de escalas, ou representação em ponto fixo ou ponto flutuante podem ser as soluções a serem adotadas.
  • No caso das operações de "+" e "-" também pode ser necessário tratar os sinais de carry in e carry out, que permitem ampliar o tamanho de um somador realizando a sua conexão em cascata, ao mesmo tempo que tratam o overflow.
  • Exercício: Multiplicador/Divisor/Somador/Subtrator com sinal e sem sinal (entradas do tipo STD_LOGIC VECTOR)
Exercício: Multiplicador/Divisor/Somador/Subtrator
entity operadores is
	port (
		a     : in std_logic_vector(5 downto 0); -- 6 bits
		b     : in std_logic_vector(2 downto 0); -- 3 bits
		sum   : out std_logic_vector(? downto 0); -- ? bits 
		sub   : out std_logic_vector(? downto 0); -- ? bits 
		mult  : out std_logic_vector(? downto 0); -- ? bits
		div   : out std_logic_vector(? downto 0); -- ? bits
		resto : out std_logic_vector(? downto 0)  -- ? bits
	);
end entity;

architecture type_conv_arch of operadores is
-- Declarar os sinais necessarios para fazer as conversoes de tipo 
begin
-- Inserir o codigo e definir o tamanho das saidas.


end architecture;
Possíveis erros de compilação
Error (10482): VHDL error ... : object "std_logic_vector" is used but not declared
falta declarar a biblioteca ieee e usar o pacote std_logic_1164
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
Error (10327): VHDL error at operadores.vhd(20): can't determine definition of operator ""+"" -- found 0 possible definitions
Falta definir uma soma para SLV. C_slv <= A_slv + Bslv
Fazer a operação em INTEGER ou UN(SIGNED).
Error (10482): VHDL error ... : object "unsigned" is used but not declared
falta usar o pacote numeric_std
use ieee.numeric_std.all;
Error (10344): VHDL expression error at ... : expression has 6 elements, but must have 3 elements
na atribuição feita, o objeto receptor o valor tem 3 elementos ("bits"), mas o resultado da expressão tem 6 elementos ("bits"). A solução é corrigir a definição do objeto ou usar a função resize para atribuir o número correto de elementos
Resultados da simulação funcional.

Após a simulação funcional, é necessário analisar os resultados obtidos em cada operação. A figura abaixo mostra 3 analises realizadas.


Figura 3.8 - Simulação funcional do Multiplicador/Divisor/Somador/Subtrator
OperadoresQSIM.png
FONTE: Próprio autor.
Recesso entre dia 24/dez/2020 e 01/02/2021

Boas férias a todos. Nos encontramos no retorno.

Unidade 4 - Código Concorrente

  • 4 AULAS
Unidade 4 - Código Concorrente
Aula 18 (4 fev)
  • Código Concorrente.
  • Uso de Operadores
  • instrução WHEN-ELSE (WHEN)
<optional_label>: <target> <= 
	<value> when <condition> else
	<value> when <condition> else 
	<value> when <condition> else
	...
	<value>;
  • Importante: O último ELSE deve cobrir todos os demais valores para evitar a criação de LATCHES.
Warning (13012): Latch ... has unsafe behavior
  • No QuartusII existe um template pronto para ser utilizado em: [Edit > Insert Template > Language templates = VHDL (+) > Constructs (+) > Concurrent Statemens (+) > Conditional Signal Assignment]
  • instrução WITH-SELECT-WHEN (SELECT)
<optional_label>: with <expression> select
	<target> <= 
		<value> when <choices>,
		<value> when <choices>,
		<value> when <choices>,
	 	...
		<value> when others;
  • Importante: O valor deve cobrir todas as demais possibilidades usando WHEN OTHERS para evitar a criação de LATCHES, ou erros de análise.
Error (10313): VHDL Case Statement error ...: Case Statement choices must cover all possible values of expression
  • No QuartusII existe um template pronto para ser utilizado em: [Edit > Insert Template > Language templates = VHDL (+) > Constructs (+) > Concurrent Statemens (+) > Selected Signal Assignment]. Mas ATENÇÃO, faltam as virgulas após cada escolha.
Exemplo 5.1 + 5.2

Exemplo de mux usando 3 tipos de arquiteturas: com portas discretas, com WHEN-ELSE e com WITH-SELECT

---------------------------
-- FILE mux4x1.vhd --
---------------------------
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity mux4x1 is
	port 
	(
		x0, x1, x2, x3 : in STD_LOGIC;
		sel            : in STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
		y              : out STD_LOGIC
	);
end entity;

architecture operators_only of mux4x1 is
begin
	y <= (not sel(1) and not sel(0) and x0) or
		(not sel(1) and sel(0) and x1) or
		(sel(1) and not sel(0) and x2) or
		(sel(1) and sel(0) and x3);
end architecture;

architecture operators_only_alias of mux4x1 is
	alias s1 is sel(1);
	alias s0 is sel(0);
begin
	y <= (not s1 and not s0 and x0) or
		(not s1 and s0 and x1) or
		(s1 and not s0 and x2) or
		(s1 and s0 and x3);
end architecture;

architecture with_WHEN of mux4x1 is
begin
	y <= x0 when sel = "00" else
        x1 when sel = "01" else
	     x2 when sel = "10" else
		  x3;
end architecture;

architecture with_SELECT of mux4x1 is
begin
	with sel select
	y <= x0 when "00", 
	     x1 when "01",
	     x2 when "10",
		  x3 when others;
end architecture;

configuration which_mux of mux4x1 is
--	for operators_only end for;
--	for operators_only_alias end for;
	for with_WHEN end for;
--	for with_SELECT end for;
end configuration;
  • Verifique os três circuitos (RTL e Technology Map) considerando as entradas x0 a x3 e a saída y com apenas um elemento.
  • Mude a entrada x para STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0). Como poderia ser feito o código para que pudesse ser selecionada uma entrada entre N = 2^M.
  • Modifique os circuitos para que tenham as entradas x0 a x3 e a saída y com 4 elementos.
  • No caso do uso de WHEN-ELSE e WITH-SELECT é só alterar o tamanho dos vetores STD_LOGIC_VECTOR.
  • Qual é a solução para a descrição com portas? Veja se consegue implementar uma solução.
  • Note que para associar uma entre várias arquiteturas para a mesma ENTITY está sendo utilizada a instrução CONFIGURATION. A ARCHITECTURE que está descomentada é a que será associada a ENTITY. Caso não se use a instrução CONFIGURATION, a última será a ARCHITECTURE utilizada. Importante todas as ARCHITECTURE devem estar sintaticamente corretas pois o configuration apenas faz a associação
configuration which_mux of mux4x1 is
--	for operators_only end for;
--	for operators_only_alias end for;
	for with_WHEN end for;
--	for with_SELECT end for;
end configuration;
Ver pag. 121 a 127 de [2]
  • Uso da instrução FOR-GENERATE
 
label: FOR identificador IN faixa GENERATE
   [Parte_Declarativa
BEGIN]
   Instruções_concorrentes
   ...
END GENERATE [label];
  • Exercício - Dado o somador para 4 entradas a(0) até a(3), use o FOR-GENERATE para torná-lo um somador para N entradas.
---------------------
-- FILE my_pkg.vhd --
---------------------
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

package my_pkg is
	type a_slv	is array(natural range <>) of std_logic_vector (3 downto 0);
end package;
---------------------------
-- FILE vector_adder.vhd --
---------------------------
library ieee work;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;
use work.my_pkg.all;

entity vector_adder is
	generic (N : natural := 4);
	port (
		a	  : in a_slv (0 to N-1);
		soma : out std_logic_vector (3 downto 0));
end entity;

-- Versão que realiza a soma diretamente, mas que precisa modificar o código de acordo com o número de entradas.

architecture ifsc_v1 of vector_adder is
	signal soma_sig : signed(3 downto 0);
begin
	soma_sig <= signed(a(0)) + signed(a(1)) + signed(a(2)) +  signed(a(3));
	soma <= std_logic_vector(soma_sig);
end architecture;

-- Versão que realiza a soma usando um FOR GENERATE
architecture ifsc_v2 of vector_adder is
	
begin


end architecture;
---------------------------
-- FILE vector_adder.vhd --
---------------------------
configuration ifsc_cfg of vector_adder is
	-- for ifsc_v1 end for;
	for ifsc_v2 end for;
end configuration;
Aula 19 (8 fev)
  • Aula suspensa por falta de luz no CPD
Aula 20 (9 fev)
  • Implementação de conversor Gray para Binário.
-------------------------
-- File: gray2bin.vhd  --
-------------------------
entity gray2bin is
	generic (N : natural := 4 )
	port
	(
		g  : in std_logic_vector(____)
		b  : out std_logic_vector(____)
	)
end entity

architecture ifsc_v1 of ____ is
begin

end architecture
architecture ifsc_v2 of ____ is
begin

end architecture
AE3 - Implemente um circuito de incrementador Gray
  • Implemente um incrementador Gray, o qual dada uma entrada de N bits em código Gray fornece na saída o valor seguinte em Código Gray.
Use como base o modelo de entidade abaixo:
entity inc_gray is
	port
	(
		gray_in  : in std_logic_vector(____)
		gray_out  : out std_logic_vector(____)
	)
end entity

architecture ____ of inc_gray is
begin

end architecture
Por exemplo: se a entrada de 4 bits for 2 = "0011" a saída será o 3 = "0010".
  • Mostre que o circuito funciona, fazendo a sua simulação funcional (use o QSIM ou Modelsim).
BÔNUS
O primeiro aluno(a) que entregar o circuito funcionando receberá um bônus de 0,4 na avaliação A1.


Aula 21 (11 fev)
  • Exemplo 5.3 - Unidade de Lógica e Aritmética (ALU).
  • Escreva o código VHDL que implemente a ALU mostrada no diagrama abaixo. Use operações do tipo SIGNED. As entradas a e b e saída y ter o número de bits definido através de GENERIC, e ser do tipo STD_LOGIC_VECTOR. Faça simulação funcional para os diferentes OPCODE.
----------------------
-- File: alu.vhd    --
----------------------

entity alu is
	generic (N : natural := 8); 
	port 
	(
		a, b   : in std_logic(? downto 0);
		cin    : in std_logic;
		opcode : in std_logic(? downto 0);
		y      : out std_logic(? downto 0)
	);
end entity;

architecture alu of alu is
begin

end architecture;

Figura 3.9 - Unidade de Lógica e Aritmética
Alu pedroni.png
FONTE: pag. 127 [2].
AE4 - ALU modificada

1) Faça um novo circuito que inclua um sinal que indica "erro" quando ocorrer overflow/underflow nas operações de soma, incremento ou decremento.

2) Faça um novo circuito que sature o sinal de saída no máximo positivo ou negativo nas situações de erro.

Para ambos circuitos modificados:

  • Faça simulações funcionais com Modelsim (ou QSIM) utilizando 3 bits, mostrando tanto o funcionamento normal como as situações de erro. É necessário fazer os testes para os diferentes OPCODES. No caso do OPCODES lógicos um ou dois testes são suficientes, mas no caso do incremento, decremento, é recomendado que envolva os limites "000" e "111" nas entradas.
  • Deve ser feita a mesma simulação para o circuito original e as duas versões modificadas.
  • Escreva o código VHDL e analise o número de elementos lógicos necessários.
Bonus
  • (0.3 pontos na avaliação A1) para o primeiro aluno que entregar o código com a indicação de erro
  • (0.3 pontos na avaliação A1) para o primeiro aluno que entregar o código com a saturação da saída.
  • Ver pag. 127 a 134 de [2]


Unidade 5 - Código Sequencial

  • 7 AULAS
Unidade 5 - Código Sequencial
Aula 22 (18 fev)
  • Diferenças entre código concorrente e sequencial <=> circuitos combinacional e sequencial
  • Diferenças entre os objetos SIGNAL e VARIABLE
  • Tipos de elementos de memória: Latch x Flip-flop
  • Latch D
  • Flip-flop tipo D com reset assíncrono e com reset (clear) síncrono
  • Seção de código sequencial PROCESS: lista de sensibilidade
[rótulo:] PROCESS [(lista_de_sensibilidade)] [IS]
             [parte_declarativa]
         BEGIN
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
         END PROCESS [rótulo];
  • Instrução IF
[rótulo:] IF condição THEN
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
         ELSIF condição THEN
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
         ELSE
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
         END IF [rótulo];
  • Exemplos:
  • DFFs com Reset Assincrono e Reset Sincrono, com Enable, com Preset (Variação Ex 6.1).
--Flip Flop tipo D com reset assincrono, sensivel a borda de subida.
process (clock,reset)
begin
   if (reset = '1') then
      q <= '0';
-- elsif (clock'event and clock = '1') then or
   elsif (rising_edge(clock)) then
      q <= d;
   end if;
end process;

--Flip Flop tipo D com preset assincrono e sinal de enable, sensivel a borda de descida.
process (clock, preset)
begin
   if (preset = '1') then
      q <= '1';
   elsif (falling_edge(clock)) then
      if (enable = '1') then
         q <= d;
      end if;
   end if;
end process;
  • Comparar com Latch (sem clk'event).
--Latch tipo D com reset assincrono.
process (enable, reset, d)
begin
   if (reset = '1') then
      d <= '0';
   elsif (enable='1')) then
      q <= d;
   end if;
end process;
  • Ver pag. 151 a 156 de [2]


Aula 23 e 24 (22 e 23 fev)
-- Flip Flop tipo D com reset síncrono sensível a borda de subida. 
-- Modifique a descrição para que o reset_ass seja assíncrono e reset_sinc seja síncrono.
-- Note que a função rising_edge(clock) é equivalente a (clock'event and clock'last_value = '0' and clock = '1'))

process (clock, reset)
begin
   if (reset = '1') then
      q <= '0';
   elsif (clock'event and clock'last_value = '0' and clock = '1')) then
      q <= d;
   end if;
end process;
  • Simulação funcional do DFFs e do Latch
  • Porta paralela com N DFFs.
  • Contador crescente 0-N (baseado no Ex.6.2), com N = 2^Mbits-1 (1 3 7 15)
  • Com overflow no valor máximo
  • Contador crescente 0-N (baseado no Ex.6.2), com N =/= 2^Mbits (5, 10)
  • Com parada no valor máximo
  • Com overflow no valor máximo
  • Contador decrescente 0-N (baseado no Ex.6.2), com N =/= 2^Mbits (5, 10)
  • Com parada no valor mínimo
  • Com underflow no valor máximo
Aula 25 (25 fev)
  • Projetar um contador em BCD entre 0 e 99, com entrada de clock, reset e saidas unidade(0 a 9) e dezena (0 a 9).
  • versão 1 - contagem crescente.
  • versão 2 - contagem decrescente.
  • versão 3 - contagem crescente ou decrescente controlado por uma entrada DIR. Se DIR = '0' a contagem é crescente se DIR = '1' a contagem é decrescente.
Nota:
Antes de implementar a versão 3 verifique no RTL das versões 1 e 2 as diferenças, e pense nas possibilidades de reutilização do hardware. O que é comum entre elas e o que precisa ser acrescentado na versão 3.
Tente obter uma versão com o mínimo acréscimo em elementos lógicos.
Aula 26 (1 mar)
Aula 27 a 29 (4, 8 e 9 mar)
Aula 30 (11 mar)
  • Avaliação A1. A avaliação iniciará as 9h20 na sala remota.


Aula 31 (15 mar)
  • Registrador de deslocamento (Ex.6.3)

Figura 4.1 - RTL do registrador de deslocamento (Ex.6.3)
ShifRegRight.png
FONTE: Próprio autor.
Versão 1 - Implementação com 4 FF D.
entity shift_reg4_right is
	port
	(
		din, clk, rst : in std_logic;
		dout          : out std_logic
	);
end entity;

architecture ifsc of shift_reg4_right is
begin
end architecture;
Versão 2 - Implementação com for generate da conexão de FF D.
entity shift_reg_right is
	generic (N : integer := 4);
	port
	(
		din, clk, rst : in std_logic;
		dout          : out std_logic
	);
end entity;

architecture ifsc of shift_reg_right is
begin

end architecture;
Versão 3 - Implementação com formação de agregado via concatenação.
entity shift_reg_right is
	generic (N : integer := 4);
	port
	(
		din, clk, rst : in std_logic;
		dout          : out std_logic
	);
end entity;

architecture ifsc of shift_reg_right is
begin
	process (clk, rst)
		variable q : std_logic_vector (N-1 downto 0);
	begin
		if (rst = '1') then
			q := (others => '0');
		elsif (clk'EVENT and clk = '1') then
			q := din & q (N-1 downto 1);
		end if;
		dout <= q(0);
	end process;
end architecture;
  • Simule o Registrador de Deslocamento usando o QSIM, visualizando os sinais internos para perceber o deslocamento.
  • Repita a simulação usando o Modelsim.
Aula 32 (18 mar)

Aproveitando a versão 3 ou 2 do Shift Register da aula anterior, projete e faça a simulação dos dois circuitos indicados a seguir:

  • Embrião de um conversor serial para paralelo.

Figura 4.2 - RTL do embrião de um conversor serial para paralelo
Serial2Parallel.png
FONTE: Próprio autor.
Para usar o hardware do ShifRegister como base para um conversor serial para paralelo, basta conectar as saídas dos FFD em portas DataOut(N-1) até DataOut(0). Assim, os sinais seriais da entrada SerialIn estarão disponíveis nestas saídas DataOut a cada N clocks.

Figura 4.3 - Simulação funcional do embrião de um conversor serial para paralelo
Serial2Parallel SIM.png
FONTE: Próprio autor.
Uma simulação com o QSIM é mostrada na figura acima.
entity serial2parallel is
	port
	(
                clk, rst : in std_logic;
		SerialIn : in std_logic; 
		DataOut  : out std_logic_vector(N-1 downto)
	);
end entity;

architecture ifsc of serial2parallel is
begin

end architecture;
  • Embrião de um conversor paralelo para serial.

Figura 4.4 - Simulação funcional do embrião de um conversor paralelo para serial
Paralelo2Serial.png
FONTE: Próprio autor.
Para usar o hardware do ShiftRegister como base para um conversor paralelo para serial, é necessário carregar os dados paralelos do DataIn com o sinal Load nos FFD e em seguida fazer o deslocamento deles bit por bit durante N clocks. Na saída SerialOut do ShiftRegister os dados serão seriazados, aparecendo um cada clock.

Figura 4.5 - Simulação funcional do embrião de um conversor paralelo para serial
Paralelo2Serial SIM.png
FONTE: Próprio autor.
Uma simulação com o QSIM é mostrada na figura acima.
entity parallel2serial is
	port
		(	clk, rst	: in std_logic;
			Load		: in std_logic;
			DataIn		: in std_logic_vector(N-1 downto);
			SerialOut	: out std_logic
		);
end entity;

architecture ifsc of parallel2serial is
begin

end architecture;
Aula 33 (22 mar)
  • Aprendizado prático de simulação com Modelsim
Aula 34 (23 mar)

Instruções do tipo LOOP: LOOP incondicional, FOR-LOOP, WHILE-LOOP, NEXT, EXIT

  • Instrução LOOP incondicional:
[rótulo:] LOOP
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
          END LOOP [rótulo];
  • Instrução FOR-LOOP:
[rótulo:] FOR identificador IN faixa LOOP
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
          END LOOP [rótulo];
  • Instrução WHILE-LOOP:
[rótulo:] WHILE condição LOOP            -- Executa as "afirmações enquanto a "condição" for verdadeira
             afirmação_sequencial;
             afirmação_sequencial;
             ...
          END LOOP [rótulo];
  • Instrução LOOP com EXIT:
[rótulo:] [FOR identificador IN faixa] LOOP
             afirmação_sequencial;
             EXIT [rótulo] [WHEN condição];    -- Se a "condição" é verdadeira, termina o "LOOP"
             afirmação_sequencial;
             ...
          END LOOP [rótulo];
  • Instrução LOOP com NEXT:
[rótulo:] [FOR identificador IN faixa] LOOP
             afirmação_sequencial;
             NEXT [rótulo] [WHEN condição];    -- Se a "condição" é verdadeira, não executa as linhas até a linha "END LOOP"
                                               -- e incrementa o "identificador".
             afirmação_sequencial;
             ...
          END LOOP [rótulo];
  • Instrução CASE
 [rótulo:] CASE expressão IS
                  WHEN valor => atribuições;                            -- valor único
                  ...
                  WHEN valor1 | valor2 | ... | valorN  => atribuições;  -- lista de valores
                  ...
                  WHEN valor1 TO valor2    => atribuições;              -- faixa de valores
                  ...

          END CASE;
  • Exemplos:
  • Leading Zeros (LOOP com EXIT) (Ex 6.5) - Esse circuito deve determinar quantos zeros tem em um vetor de entrada Vin antes do primeiro bit '1', começando da esquerda para a direita.
  • Fazer a síntese do circuito; fazer simulação no Modelsim; analisar a forma como o compilador implementou o incrementador.
entity leading_zeros is
	generic (N : natural := 8);
	port
		(	Vin		: in std_logic_vector(0 to N-1);
			count	: out integer range 0 to N
		);
end entity;

architecture ____ of leading_zeros is

begin
	process (data)
	variable count : integer ____ 0 to N
	begin
		count := 0;
		for i ___ data'range ____
			case data(i) is
				when '0' => count := count + 1;
				when _____ => exit;
			end  ___
		end ____
		zeros <= count;
	end process;
end _______;
  • Contador de zeros (FOR LOOP) - Esse circuito deve determinar quantos zeros tem em um vetor de entrada Vin.
  • Fazer a síntese do circuito; fazer simulação no Modelsim; analisar a forma como o compilador implementou o incrementador.
  • Ver pag. 161 a 164 de [2]
  • Carry-Ripple Adder (FOR-LOOP) (Ex 6.4) - apenas analisar.
  • Um somador do tipo carry ripple utiliza o bloco básico full adder para construir somadores de qualquer número de bits. Os bits carry são adicionados aos blocos posteriores, produzindo um hardware combinário.
  • O full adder é baseado nas funções.
onde é o carry out, é o carry in
entity carry_ripple_adder is
	generic (N : integer := 4);
	port (
		a, b : std_logic_vector (N-1 downto 0);
		cin  : std_logic
		s    : out std_logic_vector (N downto 0);
		cout : out std_logic;
	);
end entity;

architecture estrutural of carry_ripple_adder
begin
	-- Uso de um codigo sequencial para geracao de um circuito combinacional
	process (a, b, cin)
	variable c : std_logic_vector(N downto);
	begin
		c(0) := cin;
		for i in 0 to N - 1 loop
			-- Codigo de um full adder
			-- soma de dois bits e carry_in do full adder anterior
			s(i) <= a(i) xor b(i) xor c(i);
			-- geraao do carry_out para o proximo full adder
			c(i + 1) := (a(i) and b(i)) or (a(i) and c(i)) or (b(i) and c(i));
		end loop;
		cout <= c(N);
	end process;
end architecture;
  • Instrução WAIT: WAIT UNTIL, WAIT FOR (simulação apenas), WAIT ON (não implementada no Quartus II).
 [rótulo:] WAIT UNTIL <condition>;
 [rótulo:] WAIT ON sensitivity_list;
 [rótulo:] WAIT FOR time_expression;
Recomenda-se utilizar a lista de sensibilidade do PROCESS e a instrução IF no lugar do WAIT.
Algumas instruções de WAIT serão utilizadas na criação de TestBench em VHDL para a simulação com o MODELSIM.
Aula 35 (25 mar)
  • Exemplo: Timer de 0 a 9 segundos com saída SSD (Ex 6.6).
  • Unir o código de um contador de 0 a 9 (código sequencial), e um conversor de binário para sete segmentos em código sequencial (usando CASE).
entity timer0_9 is
	port (
		clk1seg,rst: in std_logic; 
		count_out : out std_logic_vector(3 downto 0);
		ssd_out : out std_logic_vector(6 downto 0)	
		);
end entity;

architecture ifsc_v1 of timer0_9 is

begin
	process (rst, clk1seg)
	-- processo do contador de 0 a 9
        end process;
	
	process (count)
	begin 
        -- processo do codificador de binario para display de sete segmentos
	end process;
end architecture;

A simulação funcional do circuito deverá produzir uma saída semelhante a mostrada abaixo:


Figura 4.6 - simulação funcional do timer0_9
Timer0 9 SIM FUNC.png
FONTE: Próprio autor.

A simulação com timing do circuito deverá produzir uma saída semelhante a mostrada abaixo:


Figura 4.7 - simulação com timing do timer0_9
Timer0 9 SIM TIME.png
FONTE: Próprio autor.

Depois acrescentar a esse circuito um módulo que permita a partir de um sinal de clock com frequência de fclk = 50MHz (T = 20 ns), obter um clock de f = 1 Hz (T = 1 s)

process (rst, clk50MHz)
 -- processo do divisor de clock de 50MHz para 1 Hz 
end process;

Implementar no FPGA o circuito com contador de 0 a 9 segundos com saída SSD e clk de entrada de 50MHz.

  • PROBLEMA: Uso de um período de clock de 20 ns => 50 MHz, verificar a impossibilidade prática de uma simulação deste circuito (1 segundo => 5 minutos de simulação), devido ao tamanho do contador (count1) que conta de 0 a 50M-1.
  • SOLUÇÃO: modificar o contador para um valor máximo menor (0 a 50-1). Notar que a simulação é extremamente rápida neste caso.
  • Após verificar que o circuito funciona "simulado", configurar o FPGA do kit Mercúrio IV para implementar este circuito.
  • As informações necessárias para configurar o dispositivo e seus pinos estão em Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA.
  • Utilize os pinos (clk = CLOCK_50MHz: PIN_T1, led = DISP0_D[7] : PIN_W1, ssd = DISP0_D[0-6]: PIN_V2 - PIN_W2).
  • Como o conversor de binário para ssd realizado anteriormente tinha lógica negativa ('0' acende, '1' apaga), será necessário inverter todas as saídas
  ssd_out <= not ssd;
  • Se quiser usar algum led na matriz de led do kit Mercúrio é necessário colocar '0' da coluna do Led e '1' na linha correspondente, ou seja utilizar um segundo pino para acender o led.

Uso do Modelsim para simulação funcional.

Aula 36 (29 mar)

AE5

AE5 - Laboratório de programação de FPGA - Timer 00 a 99 segundos sem o uso de componente - versão 1

Projete um contador BCD de 00 a 99 configurável com saída em 2 mostradores de 7 segmentos.

  • Utilize o timer 0 a 9 desenvolvido em aula como base, substituindo o contador 0 a 9 pelo contador BCD 00 a 99.
  • O contador deve ser configurável para contar qualquer valor entre 01 até 99.
  • Efetue a simulação funcional (Usando Modelsim) fazendo a contagem de 00 a 11 e também de 00 a 23 (para hora), de 00 a 59 (para minutos e segundos), e de 00 a 99.
entity Timer00_99seg is
	port (
		clk50MHz : in std_logic;
		clk1seg : out std_logic;
		SSD_Useg : out std_logic_vector(0 to 6);
		SSD_Dseg : out std_logic_vector(0 to 6) 
	);
end entity;
  • Configure o FPGA do kit Mercúrio IV para implementar este circuito. Utilize os mostradores ssd DISP0_D e DISP1_D.
  • Após verificar que o circuito funciona "simulado", configurar o FPGA do kit Mercúrio IV para implementar este circuito.
  • As informações necessárias para configurar o dispositivo e seus pinos estão em Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA.
  • Projeto e simulação com Modelsim do sistema Timer00-99 com display de 7 segmentos e divisor de clock.
  • Na simulação definir o clk50MHz como 100ms para produzir um clk1sec com duração de 1 segundo.
  • Corrigir o primeiro período de clock de clk1sec. É necessário fazer com que o sinal seja alto primeiro e depois vá para baixo de modo a garantir que a transição positiva ocorra depois de 1 segundo.
  • IMPORTANTE: Também é necessário incluir um RESET em cada circuito que seja sequencial. Também é necessário iniciar o circuito com um reset de 10 ps na simulação.
  • Perceber a necessidade de parametrizar o conversor de bcd2ssd para permitir displays do tipo CA e AA. (ler Display de 7 segmentos)
  • Perceber a necessidade de incluir um sinal que indique o final da contagem no counter00_99. Esse sinal poderá ser usado como clock no relógio a ser projetado.
Bonus
  • (1 pontos na avaliação A2) para o primeiro estudante que entregar o QAR com o código e as simulações feitas
  • (0.5 pontos na avaliação A2) para o primeiro estudante que entregar o arquivo SOF fazendo a contagem corretamente no kit da Macnica Mercúrio IV.
  • (1 ponto na avaliação A2) para o primeiro estudante que entregar o arquivo SOF que além de fazer a contagem, mostre a matriz de leds indicando o valor BCD da dezena na primeira linha e o valor BCD da unidade na segunda linha. Dicas de como fazer ver Como utilizar a matriz de leds do kit Mercurio IV da Macnica

Unidade 6 - Projeto a nível de Sistema

  • 4 AULAS
Unidade 6 - Projeto a nível de Sistema
Aula 37 (1 abr)
  • Projeto a nível de Sistema.
  • O PACKAGE e PACKAGE BODY: onde declarar e como usar.
  • O COMPONENT: declaração (cópia da ENTITY) e instanciação.

Assim a entity Timer00_99

ENTITY timer00_99seg
GENERIC        (D : INTEGER;
		fclock : INTEGER;
		U : INTEGER);
PORT            (clk50MHz : IN STD_LOGIC;
 		 RST : IN STD_LOGIC;
		 clk1seg : OUT STD_LOGIC;
		 SSD_Dseg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6);
		 SSD_Useg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6));
END ENTITY;

Será declarada como um COMPONENT

COMPONENT timer00_99seg
GENERIC         (D : INTEGER;
		 fclock : INTEGER;
		 U : INTEGER);
PORT            (clk50MHz : IN STD_LOGIC;
		 RST : IN STD_LOGIC;
		 clk1seg : OUT STD_LOGIC;
		 SSD_Dseg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6);
		 SSD_Useg : OUT STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6));
END COMPONENT;
  • Associação dos nomes das portas aos sinais. PORT -> PORT MAP:
  • Mapeamento por posição e nominal.
comp1 : timer00_99seg
GENERIC MAP    (2, 10, 3)		
PORT MAP       (clk50MHz,RST, clk1seg, SSD_Dseg, SSD_Useg);
comp1 : timer00_99seg
GENERIC MAP    ( D => 2, U => 3,
                 fclock => 10,		
PORT MAP       ( clk50MHz => clk50MHz,
		 RST => RST,
		 clk1seg => clk1seg,
		 SSD_Dseg => SSD_Dseg,
		 SSD_Useg => SSD_Useg);
  • Métodos de declaração de COMPONENT.
  • Exemplo: Porta NAND de 3 entradas.
  • Criação de COMPONENT redimensionáveis. GENERIC -> GENERIC MAP
  • Exemplo: Registrador de deslocamento.
  • Ver outros exemplos
  • Exemplo: Registrador Circular Ex. 8.2
  • Exemplo: Porta E com N entradas.
  • Exemplo: Detector de Paridade Ex. 8.3
  • Ver pag. 201 a 213 de [2]
Aula 38 (5 abr)
  • Instanciação de COMPONENT com GENERATE.
  • Uso da instrução CONFIGURATION.
  • Ligação direta: ARCHITECTURE-ENTITY.
  • Ligação da instanciação dos componentes: COMPONENT-ENTITY(ARCHITECTURE).


AE6

AE6 - Laboratório de programação de FPGA - Timer 00 a 99 segundos com componente - versão 2
entity timer00_99seg IS 
	generic (fclk2 : natural := 50, D : natural := 5; 	U : natural := 9);
	port
	(
		clk50MHz :  in  STD_LOGIC;
		clk_1seg: out STD_LOGIC;
		ssd_D :  out  STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6);
		ssd_U :  out  STD_LOGIC_VECTOR(0 TO 6)
	);
end entity;
OBS
  • O valor do fclk2 corresponde a metade do período do clock de entrada em Hz.
  • Os valores D e U correspondem ao último valor do timer, depois desse valor o timer dever reiniciar a contagem.
Componente 1 - Divisor de Clock, com o valor da divisão configurável pelo parâmetro fclk2
component div_clk is
	generic (fclk2 : natural := 50);       -- frequecia para simulacao
	port (
		clk : in std_logic;
		clk_out : out std_logic
	);
end component;
;OBS:  
*O valor do fclk2 corresponde a metade do período do clock de entrada em Hz.
Componente 2 - Contador de 00 a 99 com saída em BCD, com o valor final configurável pelos parâmetros D e U
component count00_99 is
	generic (D : natural := 9; 	U : natural := 9);
	port (
		clk : in std_logic;
		clk_out : out std_logic;
		bcd_U : out std_logic_vector(3 downto 0);
		bcd_D : out std_logic_vector(3 downto 0)
	);
end component;
OBS
  • Os valores D e U correspondem ao último valor do timer, depois desse valor o timer dever reiniciar a contagem.
Componente 3 - Conversor de BIN para SSD, com um parâmetro configurável ac_ccn para selecionar Anodo ou Catodo Comum.
component bin2ssd is
  generic (ac_ccn : natural := 0);
  port (
    bin_in : in std_logic_vector(3 downto 0);
    ssd_out : out std_logic_vector(0 to 6)
  );
end component;
OBS
  • O valor ac_ccn é utilizado para configurar o circuito entre ativo alto para display de catodo comum (ac_ccn=0), ou ativo baixo para display de anodo comum (ac_ccn=1).

O timer deve utilizar os componentes acima de modo a resultar em um RTL semelhante ao mostrado abaixo.


Figura 5.1 - RTL do timer 00 a 99 segundos
Rtl timer99sec.png
FONTE: Próprio autor.
  • Simulação do timer com ModelSim. Na simulação definir o clk50MHz com duração de 10 ms. Faça uma simulação de pelo menos 60 segundos.

Figura 5.2 - Simulação do timer 00 a 99 segundos
Sim timer99sec.png
FONTE: Próprio autor.

OBS: É recomendável inserir um sinal de RESET em todos os circuitos sequenciais e ao iniciar a simulação do circuito começar com RESET ativo durante 10 ps.

  • Após verificar que a simulação do circuito está funcionando, configurar um FPGA para implementar este circuito. Existem duas opções de kit disponíveis com displays de sete segmentos. As informações necessárias estão em Preparando para gravar o circuito lógico no FPGA.
  • Ao utilizar o kit DE2-115 da TERASIC, utilize os pinos (clk = CLOCK_50: PIN_Y2, rst = KEY[0]: PIN_M23, ssd = HEX0-5[0-6]: PIN_G18 - PIN_H22 ...).
definição dos pinos

  • Ao utilizar o kit Mercúrio IV da MACNICA, utilize os pinos (clk = CLOCK_50MHz: PIN_T1, led = DISP0_D[7] : PIN_W1, ssd = DISP0_D[0-6]: PIN_V2 - PIN_W2).
definição dos pinos
set_location_assignment PIN_T1 -to clk50MHz
set_location_assignment PIN_V21 -to rst_in
set_location_assignment PIN_R5 -to ssd_D[0]
set_location_assignment PIN_T5 -to ssd_D[1]
set_location_assignment PIN_T3 -to ssd_D[2]
set_location_assignment PIN_T4 -to ssd_D[3]
set_location_assignment PIN_M6 -to ssd_D[4]
set_location_assignment PIN_N7 -to ssd_D[5]
set_location_assignment PIN_N6 -to ssd_D[6]
set_location_assignment PIN_V2 -to ssd_U[0]
set_location_assignment PIN_V1 -to ssd_U[1]
set_location_assignment PIN_U2 -to ssd_U[2]
set_location_assignment PIN_U1 -to ssd_U[3]
set_location_assignment PIN_Y2 -to ssd_U[4]
set_location_assignment PIN_Y1 -to ssd_U[5]
set_location_assignment PIN_W2 -to ssd_U[6]
set_location_assignment PIN_W1 -to clk_1seg
  • Analise o diagrama esquemático como funcionam as chaves e também o tipo de display. Note que no projeto o signal RST foi descrito como normalmente ALTO, podendo ser necessário acrescentar um inversor para ter o funcionamento correto. O Display de 7 segmentos da DE2-115 é do tipo cátodo comum, enquanto que na MERCURIO IV ele é do tipo ânodo comum.
Aula 39 (6 abr)

FUNCTION e PROCEDURE (são chamados de subprogramas), e podem ser construídos em um PACKAGE, ENTITY, ARCHITECTURE, ou PROCESS.

A instrução ASSERT é útil para verificar as entradas de um subprograma. Seu propósito não é criar circuito, mas assegurar que certos requisitos são atendidos durante a síntese e/ou simulação. Pode ser condicional ou incondicional (condição_booleana = FALSE). A sintaxe da instrução é:

[rótulo:] assert condição_booleana
[report mensagem]
[severity nivel_severidade];

A mensagem pode ser criada usando STRINGs que podem ser concatenadas.

O nível de severidade pode ser NOTE (para passar informação para o compilador/simulator), WARNING (para informar que algo não usual ocorreu), ERROR (para informar que alguma condição não usual "sério" ocorreu), ou FAILURE (para informar que uma condição não aceitável ocorreu). Normalmente o compilador para quando ocorre um ERROR ou FAILURE. ERROR é o valor "default" [9].

  • A FUNCTION: declaração, uso, mapeamento posicional x nominal, PURE x IMPURE.
function nome_funçao (lista_parametros_entrada) return tipo_saida is
   declarações
begin
   afirmações sequenciais
end function;
  • Uso de FUNCTION e ASSERT.

Abaixo segue um exemplo de cálculo do log2 de um número inteiro. Pode ser usado para determinar o número de bits necessário para um número natural.

function log2c (n : integer) return integer is
	variable m , p : integer;
begin
	m := 0;
	p : = 1;
	while p < n loop
		m : = m + 1;
		p := p * 2;
	end loop;
	return m;
end log2c;
  • Uso de PROCEDURE.
procedure nome_procedimento (lista_parâmetros_entrada, lista_parâmetros_saída) is
   declarações
begin
   afirmações sequenciais
end procedure;
Exemplos de uso ASSERT, FUNCTION e PROCEDURE
  • Exemplo: Declaração de FUNCTION em ARCHITECTURE Ex.9.1
  • Aplicação no projeto do timer0_9
  • Exemplo: Declaração em FUNCTION PACKAGE Ex. 9.2
-- FILE: comparator.vhd
-- Fonte: PEDRONI, Volnei A. Circuit Design and Simulation with VHDL; 2 ed. Massachusetts-EUA:MIT, 2010.

library ieee;
use ieee.numeric_std.all;
use work.my_package.all;
entity organizer is
	generic (size : natural := 3);
	port
	(
		x  : in UNSIGNED(2 to 5);
		y  : out UNSIGNED(size - 1 downto 0)
	);
end entity;
architecture organizer of organizer is
begin
	y <= order_and_fill(x, size);
end architecture;
-- FILE: my_pkg.vhd
-- Fonte: PEDRONI, Volnei A. Circuit Design and Simulation with VHDL; 2 ed. Massachusetts-EUA:MIT, 2010. 608 p. ISBN 9780262014335

library ieee;
use ieee.numeric_std.all;
package my_package is
	function order_and_fill (input : UNSIGNED; bits : natural) return UNSIGNED;
end package;

package body my_package is
	function order_and_fill (input : UNSIGNED; bits : natural) return UNSIGNED is
		variable a : UNSIGNED(input'LENGTH - 1 downto 0);
		variable result : UNSIGNED(bits - 1 downto 0);
	begin
		assert (input'LENGTH <= bits)
			report "Improper input size!"
			severity FAILURE;
		if (input'LEFT > input'RIGHT) then
			a := input;
		else
			for i in a'range loop
				a(i) := input(input'LEFT + i);
			end loop;
		end if;
		if (a'LENGTH < bits) then
			result(bits - 1 downto a'LENGTH) := (others => '0');
			result(a'LENGTH - 1 downto 0) := a;
		else
			result := a;
		end if; 
		return result;
	end function;
end package body;
  • Exemplo: min_max Ex.9.4

Figura 6.1 - Fluxograma da PROCEDURE min_max
FluxogramMinMax.png
FONTE: pag. 232 de [2].
-- FILE: comparator.vhd
-- Fonte: PEDRONI, Volnei A. Circuit Design and Simulation with VHDL; 2 ed. Massachusetts-EUA:MIT, 2010.

use work.my_package.all;

entity comparator is
	port
	(
		a, b, c   : in integer range 0 to 255;
		min, max  : out integer range 0 to 255
	);
end entity;

architecture comparator of comparator is
begin
	min_max(a, b, c, min, max);
end architecture;
-- FILE: my_pkg.vhd
-- Fonte: PEDRONI, Volnei A. Circuit Design and Simulation with VHDL; 2 ed. Massachusetts-EUA:MIT, 2010.


package my_package is
	procedure min_max (
		signal a, b, c : in integer;
		signal min, max : out integer
	);
end package;
package body my_package is
	procedure min_max (
		signal a, b, c : in integer range 0 to 255;
		signal min, max : out integer range 0 to 255) is
	begin
		if (a >= b) then
			if (a >= c) then
				max <= a;
				if (b >= c) then
					min <= c;
				else
					min <= b;
				end if;
			else
				max <= c;
				min <= b;
			end if;
		else
			if (b >= c) then
				max <= b;
				if (a >= c) then
					min <= c;
				else min <= a;
				end if;
			else
				max <= c;
				min <= a;
			end if;
		end if;
	end procedure;
end package body;
  • Exercícios: 9.1 a 9.4, 9.6 a 9.9
  • Ver pag. 213 a 239 de [2])

Unidade 7 - Maquinas de Estado Finitas

Unidade 7 - Maquinas de Estado Finitas
  • 3 AULAS
Aula 40 (8 abr)
  • Introdução ao Projeto de Maquinas de Estado Finitas (FSM) em VHDL
  • O que é uma FSM - Finite State Machine
  • Modelo de FSM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
----------------------------------------------------------
ENTITY < entity_name > IS
PORT (
	clk, rst : IN STD_LOGIC;
	input : IN < data_type > ;
	output : OUT < data_type >);
END < entity_name > ;
----------------------------------------------------------
ARCHITECTURE < architecture_name > OF < entity_name > IS
	TYPE state IS (A, B, C, ...);
	SIGNAL pr_state, nx_state : state;
	-- ATTRIBUTE ENUM_ENCODING : STRING; --optional attribute
	-- ATTRIBUTE ENUM_ENCODING OF state : TYPE IS "sequential";
	-- ATTRIBUTE SYN_ENCODING OF state : TYPE IS "safe";
BEGIN
	------Logica Sequencial da FSM:------------
	PROCESS (clk, rst)
	BEGIN
		IF (rst = '1') THEN
			pr_state <= A;
		ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN
			pr_state <= nx_state;
		END IF;
	END PROCESS;
	------Logica Combinacional da FSM:------------
	PROCESS (pr_state, input)
	BEGIN
                ------Valores default das saidas------------
                output <= < value > ;
		CASE pr_state IS
			WHEN A =>
				output <= < value > ;   -- apenas se diferente do valor default
				IF (input =< value >) THEN
					nx_state <= B;
					...
				ELSE
					nx_state <= A;
				END IF;
			WHEN B =>
				output <= < value > ; -- apenas se diferente do valor default
				IF (input =< value >) THEN
					nx_state <= C;
					...
				ELSE
					nx_state <= B;
				END IF;
			WHEN ...
		END CASE;
	END PROCESS;
	------Seção de Saída (opcional):-------
	PROCESS (clk, rst)
	BEGIN
		IF (rst = '1') THEN
			new_output <= < value > ;
		ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN --or clk='0'
			new_output <= output;
		END IF;
	END PROCESS;
END < architecture_name > ;
  • Usando o template acima descreva em VHDL a FSM indicada na Figura 11.1.

Figura 7.1 - Exemplo de diagrama de estados de uma FSM Fig11.1(a) e implementação em hardware da FSM Fig11.2(a)
Fig11 1 FSM.png
FONTE: Figura 11.1 e 11.2 de [2].
  • Faça a simulação da FSM com Modelsim utilizando um testbench em VHDL que faça a FSM seguir os estados
rst -> A -(x=0)-> A -(x=1)-> A -(x=2)-> B -(x=2)-> B -(x=0)-> C -(x=0)-> C -(x=2)-> C -(x=1)-> A -(x=2)-> B -(x=1)-> A.
Ver pag. 277 a 280 de [2]
Ver Quartus II Handbook Version 13.1: Manually Specifying Enumerated Types Using the enum_encoding Attribute, pag 16-37 sobre a atribuição manual do enum_encoding.
Note que o uso desse atributo faz com que o compilar do Quartus não reconheça a FSM, mas use logica regular para representar o sistema.
Ver Quartus II Handbook Version 13.1: Safe State Machines, pag 16-38.
  • Introdução ao Projeto de Maquinas de Estado Finitas (FSM) em VHDL
  • Máquina de vender doces
  • Use o template da FSM para modelar o sistema mostrado na figurar a seguir.

Figura 7.2 - FSM - Máquina de vender doces (diagrama de estados)
FSM MVD.png
FONTE: Adaptado da Figura 11.3 de [2].

Figura 7.3 - FSM - Máquina de vender doces (diagrama de estados com default
FSM MVD default.png
FONTE: Próprio autor.
  • Simule a FSM com Modelsim utilizando um testbench em VHDL para gerar o teste mostrado na figura abaixo.

Figura 7.4 - FSM - Máquina de vender doces (simulação)
FSM tb40.png
FONTE: Próprio autor.
  • Exercício: Altere a FSM para vender doces que custam 30 centavos. Considere que as moedas aceitas são 5, 10, 25 e 50 centavos. Desenho primeiro a FSM e em seguida implemente-a em VHDL e faça a simulação.
Ver pag. 281 a 282 de [2]
Dica: para desenhar a FSM recomendo utilizar um software on-line para tal finalidade. Por Ex. Visual Paradigm.
Aula 41 (12 abr)
  • Introdução ao Projeto de Maquinas de Estado Finitas (FSM) em VHDL
  • O problema de oscilando entre os estados em FSM.

Figura 7.5 - FSM - alarme (oscilando entre os estados quando remoto é 1)
Alarme erro.png
FONTE: Adaptado de Figura 11.9(a) de [2].
  • Solução através do uso de FLAG

Figura 7.6 - FSM - alarme (solução com flag)
Alarme flag.png
FONTE: Adaptado de Figura 11.9(b) de [2].
  • Solução através do uso de estados de WAIT adicionais.

Figura 7.7 - FSM - alarme (solução com estados de WAIT)
Alarme wait.png
FONTE: Adaptado de Figura 11.9(c) de [2].

Figura 7.8 - Simulação da FSM - alarme (solução com estados de WAIT)
Simulation alarme wait.png
FONTE: Próprio autor.
Ver pag. 292 a 297 de [2]
  • Exercício: Faça o download do arquivo simple_car_alarm.qar, disponível no Moodle da disciplina e realize as seguintes avaliações:
  1. Perceba que existem 4 versões para o mesmo Alarme de Carro. Realize a simulação no ModelSim das 4 versões e perceba qual é a diferença de funcionamento desses circuitos.
  2. Anote o número de elementos em cada versão.
  3. Qual versão é a mais adequada na sua opinião?
  4. Modifique a sua escolha para que o alarme não possa ser ativado se o "sensor" estiver em "1".
  5. Analise o arquivo tb_vX.do e modifique-o para testar também essa nova condição. A simulação deve obrigatoriamente fazer o sistema passar por todos os estados e todas as transições.
  6. Implemente a nova versão como uma nova arquitetura "fsm_v5", e escrever o arquivo de simulação "tbv5.do".
  7. Salve as telas da simulação ("v5_sim.png"), tela da fsm ("v5_fsm.png"), tela do RTL ("v5_rtl.png").
  8. Acrescente os novos arquivos no projeto e salve o novo .qar

ATUAL

Aula 42 (15 abr)
  • Projeto de FSM temporizadas (nas quais as transições são ativadas também pelo tempo).

Figura 7.9 - Tipos de FSM (Condicional, Temporizada e Hibrida)
FSM type.png
FONTE: Figura 11.12 de [2].
  • Modelo de FSM temporizada
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
----------------------------------------------------------
ENTITY < entity_name > IS
PORT (
	clk, rst : IN STD_LOGIC;
	input : IN < data_type > ;
	output : OUT < data_type >);
END < entity_name > ;
----------------------------------------------------------
ARCHITECTURE < architecture_name > OF < entity_name > IS
	TYPE state IS (A, B, C, ...);
	SIGNAL pr_state, nx_state : state;
        signal timer: integer range 0 to MAX;
--	ATTRIBUTE ENUM_ENCODING : STRING; --optional attribute
--	ATTRIBUTE ENUM_ENCODING OF state : TYPE IS "sequential";
BEGIN
	------Logica Sequencial da FSM:------------
	PROCESS (clk, rst)
		variable count: integer range o to MAX;
	BEGIN
		IF (rst = '1') THEN
			pr_state <= A;
			count := 0;
		ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN
			count := count + 1;
			if (count >= timer) then
				pr_state <= nx_state;
				count := 0;
			end if;
		END IF;
	END PROCESS;
	------Logica Combinacional da FSM:------------
	PROCESS (pr_state, input)
	BEGIN
                ------Valores default das saidas------------
                output <= < value >;
                ------Valores default do timer------------
		timer <= <value>;
		CASE pr_state IS
			WHEN A =>
				output <= < value > ;   -- apenas se diferente do valor default
				IF (input =< value >) THEN
					timer <= <value>;  -- apenas se diferente do valor default
					nx_state <= B;
					...
				ELSE
					timer <= <value>; -- apenas se diferente do valor default
					nx_state <= A;
				END IF;
			WHEN B =>
				output <= < value > ; -- apenas se diferente do valor default
				IF (input =< value >) THEN
					timer <= <value>;  -- apenas se diferente do valor default
					nx_state <= C;
					...
				ELSE
					timer <= <value>;  -- apenas se diferente do valor default
					nx_state <= B;
				END IF;
			WHEN ...
		END CASE;
	END PROCESS;
	------Seção de Saída (opcional):-------
	PROCESS (clk, rst)
	BEGIN
		IF (rst = '1') THEN
			new_output <= < value > ;
		ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN --or clk='0'
			new_output <= output;
		END IF;
	END PROCESS;
END < architecture_name > ;
Ver pag. 298 a 301 de [2]
Exemplo de FSM temporizada - semáforo temporizado
  • Usando o template acima descreva em VHDL a FSM de um controlador de semáforo Regular indicado pela FSM da figura abaixo:

Figura 7.10 - Diagrama de estados do controlador de semáforo
Semaforo FSM v2.png
FONTE: Próprio autor.

Figura 7.11 - Simulação do controlador de semáforo no Modelsim
Semaforo FSM v2 ModelSim.png
FONTE: Próprio autor.
Exercício - Semaforo
  • Usando o template acima descreva em VHDL a FSM de um controlador de semáforo Regular da Figura 11.15 (pag. 304 de [2]).

Figura 7.12 - Diagrama de estados do controlador de semáforo
Semaforo FSM VD.png
FONTE: Adaptado de Figura 11.15 de [2].

Figura 7.13 - Diagrama de estados do Quartus do controlador de semáforo
Semaforo FSM.png
FONTE: Próprio autor.
  • Para definir as temporizações utilize GENERICs que permitam instanciar diferentes semáforos em um projeto de controle de tráfego de uma avenida.
Para uma instância do semáforo S1 use (timeRY = 2 segundos; timeGR = 40 segundos; timeYR = 2 segundos; timeRG = 15 segundos.
Para uma instância do semáforo S2 use (timeRY = 5 segundos; timeGR = 90 segundos; timeYR = 5 segundos; timeRG = 30 segundos.
  • Considere que o sinal de clock tem período de 1 segundo.
  • Realize a simulação dos semáforos S1 e S2, destacando as saídas com as cores correspondentes, conforme mostrado abaixo:

Figura 7.14 - Simulação do controlador de semáforo no Modelsim
Semaforo ModelSim.png
FONTE: Próprio autor.

Avaliações

Nas avaliações A1 e A2 são com consulta apenas as folhas de consulta entregues:

Dica use também como fonte de consulta os templates do Quartus.
Ao final das avaliações o aluno deverá enviar a avaliação para a plataforma Moodle com os arquivos solicitados.

Projeto Final (PF)

  • O projeto final é uma atividade de avaliação que será desenvolvida de forma individual. Consiste no desenvolvimento de um sistema que aplica os conhecimento adquiridos durante o semestre. A avaliação do projeto final corresponde a 36% do peso no conceito final. São avaliados no projeto final os quesitos:
1) Sistema desenvolvido (projeto, simulação e realização, demonstração do hardware); (18%)
2) Relatório com a documentação completa do projeto; (18%)
APF - Projeto Final - Sistema de controle de veículos em uma Avenida(Entrega e prazos ver Moodle)
  • O projeto deverá desenvolver um sistema de controle de veículos para o sistema viário indicado na figura abaixo

Figura PF.1 - Sistema viário para implantação de semáforos para controle de veículos
SemaforoAvenida2020-2.png
FONTE: Próprio autor.
  • A descrição exata do funcionamento foi dada na aula do dia 20 abril, e dúvidas podem ser esclarecidas pelo Slack da turma.
Resumo de algumas especificações mínimas que o projeto devem atender
  • Serão implementados dois controladores de semáforos, cada um com dois grupos focais simples ("sinaleira de 3 lâmpadas") e um mostrador de dois dígitos que deverá mostrar o tempo de verde restante na Avenida Principal.
  • Bônus (1 ponto) Mostrar o tempo restante de vermelho na avenida no mesmo mostrador.
  • O tempo de verde da Avenida Principal é de 90 segundos no cruzamento com a Rua 1 e de 80 segundos no cruzamento com a Rua 2.
  • O tempo de verde da Rua 1 é de 20 segundos.
  • O tempo de verde da Rua 2 é de 20 segundos.
  • O tempo de amarelo de todos grupos focais é de 2 segundos.
  • Pode ser utilizado o amarelo piscante quando o semáforo estiver desativado, mas não é necessário.
  • O controlador dos semáforos deverá ser descrito através de máquinas de estado finita com temporização (FSMt).
  • Recomenda-se utilizar a temporização da FSM para calcular o tempo restante a ser mostrado nos mostradores de sete segmentos.
  • O projeto deverá ser estruturado em pelo menos dois níveis hierárquicos, conforme mostram as figuras a seguir.

Figura PF.2 - Top Level do Sistema de controle de veículos
TL SemaforoAvenida2020-2.png
FONTE: Próprio autor.

Figura PF.3 - Detalhamento do componente Semáforo
Comp SemaforoAvenida2020-2.png
FONTE: Próprio autor.
Testes mínimos
  • O sistema deverá ser simulado de modo a mostrar o correto funcionamento do semáforo.
  • Deverá ser feita uma simulação do componente Semáforo, e uma simulação do projeto completo.
Entregas
  • Arquivo QAR do projeto, contendo todos os arquivos necessário para reproduzir o projeto.
  • Arquivos .do com os testbench para o MODELSIM;
  • Relatório técnico contendo os resultados em no máximo 20 paginas A4, em fonte 12pt. O relatório além das tabelas com os dados de frequência máxima, número de elementos lógicos, número de pinos, deverá conter a figura dos circuitos RTL da ENTITY top level e do componente semáforo, bem como uma explicação do seu funcionamento. Também devem ser apresentadas as simulações funcionais e uma análise textual dos resultados obtidos.


Prazos das entregas do projeto
  • (28/abr) Entrega final do projeto: arquivos do projeto.
  • (29/abr) Entrega do relatório final.

Referências

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 PEDRONI, Volnei A. Eletrônica digital moderna e VHDL; 1ª ed. Rio de Janeiro:Elsevier, 2010. 619p. . ISBN 9788535234657
  2. 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 2,12 2,13 2,14 2,15 2,16 2,17 2,18 2,19 2,20 2,21 2,22 2,23 2,24 2,25 2,26 2,27 2,28 2,29 PEDRONI, Volnei A. Circuit Design and Simulation with VHDL; 2ª ed. Massachusetts-EUA:MIT, 2010. 608 p. ISBN 9780262014335