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

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MURAL DE AVISOS 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

  • 7 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?

ATUAL

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.

  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. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 PEDRONI, Volnei A. Circuit Design and Simulation with VHDL; 2ª ed. Massachusetts-EUA:MIT, 2010. 608 p. ISBN 9780262014335