VHDL

1. VHDL

2. Introduction • 數位電路的設計方法，在早期由於電路比較簡單，且電路合成的工具較不完整，早期都是使用gate-level的方式用圖形介面，就所需之邏輯閘、正反器一個個畫在電路圖上。 • 需要花相當的時間設計的輸入 • 由於邏輯閘相當多，會增加出錯機會即將來維護上的困難。 • Very High Speed ICs Hardware Description Language (VHDL)

3. VHDL程式基本架構

4. Library／ Package 宣告區 Entity宣告區 Generic 定義 Port 定義 Architecture 描述區 BEGIN Component宣告 Signal宣告 Description statements VHDL程式基本架構

5. VHDL程式基本架構 • VHDL模型檔(****.vhd) -- VHDL Design Unit 檔案說明 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY e-name IS --port declaration PORT ( P-name: mode type; ); END ENTITY e-name;

6. VHDL程式基本架構 ARCHITECTURE a-name OF e-name IS --component declration COMPONENT ….. END COMPONENT.. ; --signal declaration SIGNAL s-name: type; BEGIN --Concurrent statements; (設計內容) END ARCHITECTURE a-name;

7. VHDL程式範例 library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; entity IC7400 is Port ( a1,a2,b1,b2,c1,c2,d1,d2 : in std_logic; ao : out std_logic; bo : out std_logic; co : out std_logic; do : out std_logic); end IC7400; architecture a of IC7400 is begin ao <= not (a1 and a2); bo <= not (b1 and b2); co <= not (c1 and c2); do <= not (d1 and d2); end a;

8. Library … 宣告物件所存放之地方 1、LIBRARY • 宣告user引用之物件所存放之地方 (library) …… IEEE 。一般, Simulator會對Library事先建立一個”對照表” , 存於 **.ini 檔中 。此”對照表” 包括已事先設定(預設)之library及 其對映到磁 牒中之實際位置

9. USE … 開啟 library中之package 2、USE 。開啟library中之package，以便使用宣告與定義過 的物件 。Package 用來宣告、定義一些VHDL中 可使用的物件 (Objects) 。物件包括：TYPE，Sub-program(Function, Procedure)， CONSTANT, Deferred constant等 【語法】: USELib-name .package-name.all;.

10. USE ------- • Compile時, 物件引用之package順序 (1) 預設之library package (2) 宣告之library package。 • Library與Use宣告之效力僅及於該Design unit (Entity)

11. ENTITY … 設計單元 (DESIGN unit) 定義 • 設計(DESIGN)定義 : Design- unit name 與 external介面 (ports) ……… 相當於元件外型(name & pins)

12. 註解 (Comment) • hyphen ’--‘ 開頭，直到 Carriage-return 為止。 善用註解： 。VHDL design 檔最好加上適當之header； 註明: design unit, file name, function, modules Called, limitation, author , revision number and date。 [範例]： -- Design unit : y_func -- File name : y_func.vhd -- Function : Y(a,b,c)=Σ(1,3,6,7)=(not A and C) or (A and B) -- limitation : No -- Author : MS-Shiau -- Department of Electronics ，Feng-Chia University -- Revision : V.1 12/31/2001

13. PORT (埠) • 相當於 …….. IC: pins , system : external interface signals [語法]： PORT( p1-name : modetype ; p2-name : modetype ; … pN-name : modetype );

14. Oen INOUT Ien IN OUT BUFFER PORT ---- mode • IN , OUT , INOUT , BUFFER IN :只可由單體外之信號驅動 OUT :可multi-driven , 不可 feed-in (不可驅動單體內之信號). BUFFER: (與OUT似,但可feed-in內驅; 因不可多驅,一般較少用) INOUT：全部PORTs均如此宣告會使程式可讀性降低

15. Architecture 1、ARCHITECTURE 。 Design-unit設計內容: 功能描述 【語法】： ARCHITECTURE a-name OF e-name IS SIGNAL s-name： type ； ----- declaration BEGIN Concurrent Statements (功能描述) ； END Architecture a-name ；

16. 描述風格(Description styles) 1、典型的描述風格(Description styles) (1)Structural : 元件及其連接情形；Netlist 方式 (包括：Component.VHDL檔 , 及Design-unit中 Component 宣告, Component 啟動instantiation) (2)Behavior : Process 方式, Function or Procedure方式 (包括： Sequential (timing順序安排) statements) (3)Data-flow : Boolean 方式之concurrent signal assignments (信號data處理，傳輸，方向。並時性, 以Boolean函式指定信號值)

17. Description styles運用

18. DATA TYPE

19. 資料物件 • VHDL中的物件使用前須事先宣告其「類別」與「資料型態」 【語法】： 類別 資料物件名稱 ： 資料型態 ：= 初始值 ； • 初始值 (Initial value)： All signals have an initial value when simulation begins. 。User defined ： in the declaration (Ex :=‘0’ ) 。Default ：the 1’st (left) value that appeared in type declaration ※Initial value assignment is ignored in H/W synthesis. 。Way for synthesis: Global (Power-on ) reset

20. 物件類別 類別(Class)： (1)port, Signal: 。Circuit-connection (Wire名稱or正反器狀態) 。Driver is scheduled by queue: ie. Means they have time-delay) (2)Constant : 。代表一個固定值的identifier; 增加可讀性與可維護性. 。不可於程式執行中更改其值。 (3)Variable: 。只限於process or副程式中使用. 。不代表實際wire or 狀態, Local-storage operation 。其值於程式執行中可更改。 (Updated immediately, no delay) (4)檔案(File)： 代表工作環境中之檔案，可有效地協助電路模擬之執行。

21. 型態 語法: TYPE型態名稱 IS ……………………… • 機定(Default)： 在Standard package 與IEEE package中已預先定義者。 • 自訂(User)： 在User package中 or VHDL design unit中的Architecture與Begin間宣告者。

22. 典型標準之Types定義( STANDARD ) • Package STANDARD Type Booleanis (false,true); Type Bitis (‘0’,’1’); Type Characteris ( ‘A’,..,‘0’,…等 ); Type severity_levelis (note, warning, error, fail); Type integerisrange -2147483648 to 2147483647; Type realisrange -1.7014110e+38 to 1.7014110e+38; Type timeis range-9223372036854775807to 9223372036854775807 Units fs; Ps = 1000 fs; ns = 1000 ps; us = 1000 ns; ms = 1000 us; sec = 1000 ms; min = 60 s; hr = 60 min; End units; Subtypenaturalis integer range0 to integer’high; SubtypePositiveis integer range 1 to integer’high; Typestringis array (positive range<>) of character; Typebit_vectoris array (natural range<>) of bit; Function now return time;

23. 典型標準之Types定義 ( std_logic_1164 ) • Typestd_ulogic is (‘U’,’X’, ‘0’,’1’, ‘Z’,’W’, ‘L’,’H’,’-’ ); Function resolved (s: std_ulogic_vector) return std_ulogic; Subtypestd_logic is resolved std_ulogic; • Type std_ulogic_vector is array (natural range <>)of std_ulogic; Type std_logic_vector is array (natural range <>)of std_logic; • Function “and” … ----- Include : “and”, “nand” , “or”, “nor” , “xor”, “not” . • ----- Conversion Function: Function to_Bit … ; to_Bitvector , to_stdulogic ; to_stdulogicvector ; to_stdlogicvector ; 函式呼叫 參數傳遞

24. 典型標準之Types定義( std_logic_arith ) • 1992 Synopsys inc. • Type Unsigned is array (natural range <> ) of std_logic; Type Signed is array (natural range <>) of std_logic; • Functions: (1)arithmetics: “+”, “-”, “*”, (2)Relation: “<”, “>”, “=”, “>=”, “=<”, “/=”, (3)shift: SHL (arg,count) , SHR (arg,count), • Conversion Function: CONV_integer ; CONV_SIGNED(arg,size) ; CONV_UNSIGNED… CONV_std_logic_vector(arg,size) Note: std_與signed/unsigned純為 type “Cast” conversion : B<=Unsigned(A) ; Signed (A) ; ----- A std_logic A<=std_logic_vector(B) ; ----- B Signed or unsigned

25. 純量型(scale) --- Integer 1、Integer：(default-defined) TYPE integer IS range ____________ ; 。 32- 位元, 範圍: -(231) ~ +(231-1) 。必要時可自行宣告範圍以減小合成之後電路的Size [語法]：User-defined integer (range spec. use integer) TYPE my_integer IS RANGE range_low TO range_hi； TYPE my_integer IS RANGE range_hi DOWNTO range_low； TYPE my_integer IS RANGE <>； Note: <> --無限制(unconstrained) (物件宣告時再定)

26. 純量型(scale) --- Real 2、Real： (range spec. use real) TYPE real IS range ………… ; 。數字須有小數點: -1.0 e38 ~ +1.01e38 ; [範例]： Signal A: real ; A<= 2.5E-15;

27. 純量型(scale) --- Physical Type • Physical Data Type TYPE time IS Range <> --基本單位範圍指定 Units fs； --基本單位 ps=1000 fs； --延伸單位 ns=1000 ps； us=1000 ns； ms=1000 us； sec=1000 ms； min=60 sec； hr = 60 min； END units； TYPE distance IS Range 0 TO 231-1 Units nm； um=1000 nm； mm=1000 um； cm=10 mm； m=1000 mm； Km=1000 m； END units；

28. 陣列型(Array)資料型態 • 陣列型(Array) …… 或稱 “矩陣” 。其元素由同一種之資料型態組合而成的複合式資料型態 • [語法]: • TYPEary_nameIS ARRAY(起迄範圍)OF元素類態； • 機定：一維陣列， • 起迄範圍： 低 To 高 ；高DOWNTO 低 ;Integer < > …..unconstrained array • Note: Standard unconstrained array 為 Bit_vector 與 String • TYPEary_nameIS ARRAY(d_1_range , … , d_n_range) OF 元素型態； • Note ：多維陣列 ; 起迄範圍/維 個別元素之指定；ary_name (integer)

29. 陣列型(Array)資料型態 【例】: VHDL STANDARD package 中 Bit_vector ……. Bit之一維陣列 TYPE bit_vector IS ARRAY (natural <>) OF bit； 【例】: 一維陣列型態宣告 TYPE byte IS ARRAY (7 downto 0) OF bit； TYPE word IS ARRAY (31 downto 0) OF bit； TYPE Memory_name IS ARRAY (0 to 4096) OF word；

30. 陣列型(Array)資料型態 [範例]: 多維陣列型態宣告 ROM_ LUT： -- 定義ROM_look-up-table之格式型態( 8X4 之陣列) TYPE Rom_block IS ARRAY (0 TO 7, 0 TO 3) OF BIT; -- 宣告物件:ROM_LUT與 設定其初始值 CONSTANT ROM_LUT : Rom_block := ( ( ‘0’, ‘1’, ‘1’, ‘0’ ), ( ‘0’, ‘1’, ‘1’, ‘0’ ), ( ‘0’, ‘1’, ‘0’, ‘1’ ), ( ‘0’, ‘0’, ‘0’, ‘0’ ), ( ‘0’, ‘1’, ‘1’, ‘0’ ), ( ‘1’, ‘0’, ‘1’, ‘0’ ), ( ‘0’, ‘1’, ‘1’, ‘0’ ), ( ‘1’, ‘1’, ‘1’, ‘1’ ) );

31. 陣列型(Array)資料型態 • 2-Dimension Array type declaration 【範例】：定義一個 記憶容量為 1232 之ROM資料表Type 【Method-1】：1-D of 1D TYPE word IS ARRAY(31 downto 0) of bit; TYPE ROM_TABLE IS ARRAY(11 downto 0) of word; 【Method-2】：2D-directly TYPE ROM_TABLE IS ARRAY(11 downto 0 , 31 downto 0) of bit ;

32. OPERATOR

33. 分類

34. 運算優先順序 優先權可用”小括號”定優先順序

35. 邏 輯 運 算 • 邏輯運算子: AND, NAND, OR, NOR, NOT, XOR, XNOR • 邏輯運算中NOT優先權最高，其他優先權一樣。 必要時可用小括號定優先順序。 • 在IEEE Library中定義邏輯運算值是以查表方式實現 【Example】 -- truth table for "and" function CONSTANT and_table : stdlogic_table := ( -- ---------------------------------------------------- -- | U X 0 1 Z W L H - | | -- ---------------------------------------------------- ( 'U', 'U', '0', 'U', 'U', 'U', '0', 'U', 'U' ), -- | U | ( 'U', 'X', '0', 'X', 'X', 'X', '0', 'X', 'X' ), -- | X | ( '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0' ), -- | 0 | ( 'U', 'X', '0', '1', 'X', 'X', '0', '1', 'X' ), -- | 1 | ( 'U', 'X', '0', 'X', 'X', 'X', '0', 'X', 'X' ), -- | Z | ( 'U', 'X', '0', 'X', 'X', 'X', '0', 'X', 'X' ), -- | W | ( '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0', '0' ), -- | L | ( 'U', 'X', '0', '1', 'X', 'X', '0', '1', 'X' ), -- | H | ( 'U', 'X', '0', 'X', 'X', 'X', '0', 'X', 'X' ) -- | - | ); FUNCTION "and" ( l : std_ulogic; r : std_ulogic ) RETURN UX01 IS BEGIN RETURN (and_table(l, r)); END "and";

36. 關係運算子 • Scalar object 關係運算子為“Overload” function 會傳回一個 Boolean 值(True/False) FUNCTION “>” (L: operand_type ; R: operand_ type ) RETURN BOOLEAN; • (Standard 與IEEE.std_logic_1164 package沒有包含） 使用時： USE IEEE.NUMERIC_STD; 物件需為integer, Signed 與Unsigned型態 A: std_logic_vector SIGNED(A) 使用在Std_logic物件型態

37. 四則運算子 • 加減運算 1、Integer 型態 。沒有MSB進位處理 。 欲有MSB進位處理, 可採Signed – extension方式 (1)轉換: Signed(A) 或 Unsigned(A) ; A整數 (2) 用‘&’ operator 多串一位 ,來儲存MSB進位, 正數: ‘0’&B 負數: ‘1’&B

38. 四則運算子 2、Std_logic_vector 型態 • 需先將 std_logic_vector 化為 Signed or Unsigned 型態.  既可做邏輯運算處理也可做數值計算 • 物件Unsigned與Signed宣告, 一律以 downto定出數列大小 • 需使用 下列packages (1) Synopsis: Std_logic_arith (2) IEEE: Numeric_std 【範例】：Addition -- AIN,BIN：8-BIT_std Result <= (‘0’&unsigned(AIN)+(‘0’&unsigned(B(IN))+Cin ； Cout <= Result (8) Note： & 與 + 優先權相同，故加上小括號處理優先順序。

39. 四則運算子 3、Bit_vector 型態 • Bit_vector 型態：用 unsigned處理 • 使用時: (1)用Numeric_BIT package ， (2)轉換:將 bit_vector 作unsigned處理; (3)最後將結果再 bit_vector化 【範例】： Sum <= bit_vector( unsigned(AIN) + unsigned(BIN))；

40. SLL(a, 2) 移出之位元：漏失 移出之位元：漏失 移走之位元：補 ‘0’ 移走之位元：補 ‘0’ 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 SRL(a, 2) 移位/旋轉運算子…… IEEE.Numeric_std • 亦為“Overload function”, 於1076_1993 (1076.3 , Numeric_std)加入 • 適用於任何一維陣列，type為Signed , unsigned 邏輯移位 語法：Function 呼叫 SLL (arg , N) SRL (arg , N) 其中： Arg: signed or unsigned N: integer

41. ROL(A, 2) 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 ROR(A, 2) 移位/旋轉運算子 …… IEEE.Numeric_std 語法：Function 呼叫 ROL (arg , N) ROR (arg , N) 其中： Arg: signed or unsigned N: integer

42. SLA 2 移出之位元：漏失 移走之位元：補LSB SRA 2 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 移出之位元：漏失 移走之位元：補 MSB 移位/旋轉運算子 算數移位

43. 移出之位元 ：漏失 移走之位元 ：補‘0’ 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 SHR(AIN,2) SHL (AIN,2) 移出之位元 ：漏失 移走之位元 ：補 MSB 移位運算子 …… std_logic_std • SYNOPSYS package : std_logic_arith Signed extension (符號延伸)觀念之移位 SHL & SHR • 完全採正常FUNCTION呼叫方式使用,實際上非Operator SHR(A, N) ; -- A:signed or unsigned , N:unsigned

44. 範例： 移位/旋轉運算子 • 【範例】：SYNOPSYS • LIBRARY IEEE; • USE ieee.std_logic_1164.all; • USE Std_logic_arith.all; -------------- Package • ENTITY Exp_SSHFT IS • PORT(AIN: IN std_logic_vector(3 downto 0); • BoutL: OUT std_logic_vector(7 downto 0); • BoutR: OUT std_logic_vector(7 downto 0); • Ncount : in std_logic_vector(1 downto 0)) • END ENTITY EXP_SSHFT; • ARCHITECTURE A OF EXP_SSHFT IS • BEGIN • BoutL <= SHL( unsigned(AIN) , unsigned(Ncount)); • BoutR <= SHR(unsigned(AIN) , unsigned(Ncount)); • ----正常FUNCTION呼叫 • END A;

48. Signal Assignment

49. Signal Assignment 特性 • Signal Assignment : 兩端之Signal type均須一致 Signal A<=B; ---有延遲現象 Variable A:=B ; ---Variable只能用在Process or 副程式中. • 簡單型 • 條件型 (1) assign When…Else (2) IF …Then assign ; Elsif… Then assign ; End IF; 具排它性,具優先性(愈前愈優先) • 選擇型 (1)With sel_name Select assign when… , assign when others ; (2)Case sel_name Is When… =>assign; End Case; Note:sel_name所有的 ”值” 均須考慮,故使用others

50. Multiple-driven Signal • How do we determine the state of this wire • Rule to determine: resolution function Driver A What value ? What value ? Driver B 21 MUX with tri-state output (Resolved Signal)