‫הרצאה ‪21.10.12 -1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫ד"ר בנימין אברמוב‬ ‫תוכן ההרצאות נמצא באתר‪/http://www.abramovbenjamin.net :‬‬ ‫המצגת העיקרית ממנה נלמד הקורס‪.BVHDL :‬‬ ‫אתר להורדה‪/http://www.altera.com :‬‬ ‫להוריד את סביבת העבודה‪.Quartus II Subscription Edition Software Version 12.0 Service Pack 2 for Windows :‬‬ ‫להוריד גם את‪ modelsim :‬עבור הסימולציות‪.‬‬ ‫מייל של הקורס‪biu.vhdl@gmail.com :‬‬ ‫במהלך הרצאה זו נלמדו השקפים הראשונים העוסקים ב‪ -‬מדע כדאי לכתוב ב‪ VHDL -‬וכיצד השפה התפתחה‪.‬‬ ‫לא מצאתי לנכון לסכם משהו מדברים אלו – עמכם הסליחה‪.‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪31.10.12 – 2‬‬ ‫משפחות רכיבים‪:‬‬ ‫המשפחה הבסיסית היא ‪ (Programmable Logic Device) PLD‬המכילה את‪.PAL , PLA , GAL PLD :‬‬ ‫את כל אלו ראינו במעגלים ספרתיים הבנויים על סכום מכפלות או מכפלת סכומים‪.‬‬ ‫הצעד הבא במשפחה הם הרכיבים הקרויים ‪ .CPLD‬הרעיון הוא הגדלה של השערים (עשרות אלפי שערים במקום מאות)‪.‬‬ ‫בנוסף מוכנסים ‪ FF‬לכל מאקרו‪-‬תא המכיל מספר שערי ‪ AND‬ו‪ .OR-‬רכיבים אלו מאפשרים תכנות רב פעמי של עשרות אלפי‬ ‫תיכנותים‪ .‬השלב האחרון במשפחה הם רכיבי ה‪ .FPGA-‬ה‪"-‬שחקנים" המובילים בייצור רכיבי ה‪ FPGA-‬הם‪,Xilinx (60%) :‬‬ ‫)‪ Altera (35%‬ו‪.)5%( Others -‬‬ ‫מבנה רכיב ‪:FPGA‬‬ ‫הרכיב בנוי מבלוקים המחוברים לעולם החיצוני באמצעות ‪.)In/out Bit( IOB/IOE‬‬ ‫יש לנו משאבים המאפשרים דגימת אות פנימה באמצעות ‪( FF‬שניים זמינים תמיד)‪.‬‬ ‫כל הסיליקון חצוי באמצעות קווים הנקראים ‪.(Global Interconnect) GI‬‬ ‫הם בעלי יכולת דחיפה גבוהה ומטרתם להזין צרכנים רבים‪.‬‬ ‫ה‪ GI-‬מחלק את הרכיב לחלקים גדולים הנקראים )‪ LA (Logic Array‬ובתוכם יש ‪ )Block( LAB‬ולהם קווים ‪LI‬‬ ‫ו‪ (Logic Element) LE-‬כל אלו מחולקים גם הם למקטעים שבשפתם יש אפשרות תכנות‪ .‬יחידה בסיסית ‪ LE‬מורכבת מ‪ FG -‬ו‪.FF-‬‬ ‫רוב המערכות שמכילות רכיבי ‪ FPGA‬מכילות גם זכרון‪.‬‬ ‫לשם כך הדרגה הבאה היא )‪ – SoC (System on Chip‬אלו רכיבי ‪ FPGA‬עם זכרון‪.‬‬ ‫ברכיבים אלו יש לנו שורות של זכרונות המחולקים למקטעים (בד"כ ‪ .)4kb‬מערכים אלו הם גולמיים (‪ - SRAM‬יודעים רק לשמור)‬ ‫המוקפים בלוגיקה‪ .‬ע"י הדו‪-‬שיח בניהם ניתן להפוך את הזכרון לכל סוג אחר ‪ ROM , RAM , FIFO , LIFO‬וכו'‪.‬‬ ‫השלב האחרון הוא )‪ – SoPC (System on Programmable Chip‬אלו מכילות גם מעבד בתוכן המתפקד כבקרה על הכל‪.‬‬ ‫הבקרה היא גם דינאמית‪ .‬יש שתי גישות לתיכון המעבד‪:‬‬ ‫* גישה אחת היא ‪ – Hardcore‬בתוך אזור מסוים של הרכיב יש מעבד אחד (או יותר) והם לא גמישים‪.‬‬ ‫* גישה שנייה היא ‪ – Softcore‬ניתן לתכנן את המעבד לפי מספר קונפיגורציות ומקבלים מהחברה את המעבד הניתן לשתילה בתוך‬ ‫הרכיב‪ .‬ניתן לשתול עד ‪ 16‬מעבדים באופן כזה שהם יתפקדו בתקופה מירבית ביניהם‪.‬‬ ‫דבר אחרון שנעשה בשנים האחרונות (לאחר שבלענו את המערכת השלמה בתוך השבב) קשור לפעולות ‪.DSP‬‬ ‫לכן מפתחים תשתיות של מכפלות (פעולה דומיננטית ביותר לביצוע קונבולוציות ושאר פעולות ‪ DSP‬שכיחות) מלוטשות שכל‬ ‫תפקידם הוא להכפיל בלבד (היתרון הוא יכולת גבוהה יותר ומהירות בעת ביצוע הפעולות)‪.‬‬ ‫(מכפל בודד היום מסוגל לבצע הכפלה של ‪ 78‬ביטים במחזור שעון אחד בתדר של ‪ .)!!!800Mb/s‬למערכים אלו יש ריבוי שעונים‬ ‫המנוהלים במערכות ‪ PLL‬ו‪ .DCM (Digital Clock Manager)-‬באמצעות מבנים אלו יש לנו שליטה על הפאזה של השעון‬ ‫ומבטיחים נקודות דגימה יציבות של אותות‪.‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪31.10.12 – 2‬‬ ‫פותחים בשקף ‪.12‬‬ ‫מספר‬ ‫שקף‪:‬‬ ‫‪23‬‬ ‫‪24‬‬ ‫‪25‬‬ ‫‪27‬‬ ‫‪28‬‬ ‫‪29‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪31‬‬ ‫‪32‬‬ ‫‪36-37‬‬ ‫‪38-39‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪46‬‬ ‫‪|2‬‬ ‫הערות שונות‪:‬‬ ‫השוואה בין שפות תיכנות לשפות ‪ .HDL‬בשפות תיכנות הפקודות מתבצעות על כתובות ובצורה סדרתית‪.‬‬ ‫הביטוי בשפת ‪ HDL‬מתאר פעולת חיבור ‪ Adder‬ופעולת כפל‪ .‬יש לנו לופ חומרתי הזוי ולכן הדבר לא מתאפשר‪.‬‬ ‫יש לנו שני מבנים התלויים זה בזה הפועלים במקביל וזה מה שפוסל את הדבר‪( .‬הבעיה ב‪)A-‬‬ ‫הדוגמא בשפת ‪ C‬נכונה אך אינה חכמה במיוחד (בלשון המעטה)‪ .‬המקרה ב‪ HDL-‬לא נכון כי שמים ל‪ D-‬שני דברים‬ ‫יחדיו (על אותו החוט) ולכן הדבר לא אפשרי‪.‬‬ ‫שוני בסדר הפעולות בשפת תיכנות יגרור שוני בתוצאות בניגוד ל‪.HDL-‬‬ ‫השפה לא רגילה לגדלים‪ Der der DER :‬זהים‪.‬‬ ‫דוגמא‬ ‫צורות כתיבה‬ ‫הערות כותבים עם‪-- :‬‬ ‫מילים שמורות בשפה‪.‬‬ ‫צורה לכתיבה הערות שלא יתייחסו אליהם בתהליך הסינתזה אך כן בתהליך הקומפילציה‪.‬‬ ‫הגדרת פרמטרים‪.‬‬ ‫דוגמא‪.‬‬ ‫המצבים הקיימים )‪* .(Modes‬קיים מצב נוסף המשמש לכתיבה עם מערכות לא ספרתיות שלא מופיע במצגת‪.‬‬ ‫המצב חוצץ מאפשר לכתוב נתונים החוצה וגם לקרוא נתון שכתבנו החוצה למשך החישובים שלנו בתוך הבלוק‪.‬‬ ‫הרעיון הוא לאפשר לקבל ערך שהוצאנו במידה ויש בו צורך בשער כלשהו בתוך הבלוק‪ .‬אחרת נקבל שגיאת קומפילציה‪.‬‬ ‫המצב ‪ inout‬מאפשר לקבל ערך מבחוץ לבפנים בניגוד ל‪ Buffer-‬שבו נשתמש כאשר הוא מוציא ערך אבל אנו רוצים‬ ‫את הערך שלו מתוך הבלוק‪ .‬הפורט ‪ inout‬דורש בקרת נתונים‪*** .‬להוסיף סרטוט של ‪***inout‬‬ ‫סוגי פרמטרים‪ .(Types) .‬בוליאן מאפשר פעולות מסוג אמת‪/‬שקר וביט מאפשר פעולות מסוג ‪.0/1‬‬ ‫זה לא אותו דבר‪ .‬נציין כי הסוג של תוצאה זהה לסוג של מרכיביו‪ .‬הסוג ‪ integer‬מאפשר תוצאה שהיא ערך שלם‪.‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪7.11.12 – 3‬‬ ‫סוגי פעולות וכלליהן‪:‬‬ ‫בהרצאה קודמת למדנו על המבנה הכללי של הכתיבה ועל המצבים )‪.(Modes‬‬ ‫ראינו כי חשוב לציין את סוג המשתנה )‪ (Type‬היות והוא מתורגם לחוטים ממשיים‪.‬‬ ‫נתמצת את הסוגים המרכזיים והפעולות הכלליות באופן הבא‪:‬‬ ‫‪Shift‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪Relation‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪logical‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪Arithmetic‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪Type \ Operation‬‬ ‫‪Boolian‬‬ ‫‪bit‬‬ ‫‪bit_vector‬‬ ‫‪integer‬‬ ‫‪std_logic‬‬ ‫‪std_logic_vector‬‬ ‫הסוגים ‪ boolian‬ו‪ bit-‬מיוצגים ע"י קו חשמלי אחד‪ .‬הערכים שניתן להשים בהם הם‪ 'true','false' :‬ו‪ '0','1'-‬בהתאמה‪.‬‬ ‫הסוג ‪ integer‬מתורגם אוטומטית ל‪ bus-‬של קווים – ‪ 32‬קווים‪.‬‬ ‫הסוג ‪ std_logic‬הוא קם קו אחד (נדבר בהמשך) ו‪.std_logic_vector-‬‬ ‫הפעולות שנדון עליהן הן‪ :‬פעולות אריתמטיות‪ ,‬פעולות לוגיות‪ ,‬פעולות השוואה ופעולות הזזה‪.‬‬ ‫הפעולות האריתמטיות‪ :‬חיבור ‪ ,‬חיסור ‪ ,‬כפל ‪ ,‬חילוק ‪ ,‬חזקה ‪ ,‬ערך מוחלט ‪ ,‬מוד ו‪-‬שארית‪.‬‬ ‫הסימנים בהתאמה‪.rem , mod , abs , ** , / , * , - , + :‬‬ ‫פעולות חיבור‪ ,‬חיסור וכפל ניתנות לביצוע בין שני סוגים עם אותה כמות הביטים‪.‬‬ ‫פעולת חלוקה בעייתית עקב עלות גבוהה של משאבים ומהווה צוואר בקבוק של המערכת‪ .‬לרוב היא תבוצע רק ב‪.int-‬‬ ‫פעולת חזקה לא נתמכת בצורה מלאה בפעולות סינתזה אלא רק‪( 2**m :‬שקול להזזה) ו‪( m**2 -‬כפל)‪ .‬כל השאר בעייתיים‪.‬‬ ‫פעולת ערך מוחלט נתמכת באופן מלא‪.‬‬ ‫פעולות ‪ mod‬ו‪ rem-‬מתקבלות כתוצאה מחילוק‪ .‬כאשר נכתוב‪ a mod b :‬אם ‪ a‬שלילי נקבל תוצאה שלילית ואם ‪ b‬שלילי נקבל‬ ‫‪ rem‬שלילי‪ .‬לצרכי יישום המערכת נשתמש באופרנד קבוע‪ ,‬חזקה של ‪ ,2‬כהמחלק שלנו‪.x mod n :‬‬ ‫הפעולות הלוגיות הבאות‪ not , or , and , nor , nand , xor , xnor :‬ניתנות לביצוע באופן כללי‪.‬‬ ‫בכתיבה מבצורה הבאה‪ x  s1 or s2 or s3 or s4 :‬הפעולות מבוצעות משמאל לימין באופן סדרתי‪.‬‬ ‫כדי לשנות את הצורה נשתמש בסוגריים כגון‪. x   s1 or s2 or  s3 or s4 :‬‬ ‫פעולות עם שלילה לא יבוצעו על שלוש כניסות אלא רק על ‪ ,2‬אחרת התכנית לא תעבור קומפילציה‪.‬‬ ‫פעולות השוואה הן‪ .<= , >= , < , > , /= , = :‬התרגום בהתאמה‪ :‬שוויון‪ ,‬אי‪-‬שוויון ‪ ,‬קטן ‪ ,‬גדול ‪ ,‬קטן שווה ‪ ,‬גדול שווה‪.‬‬ ‫ברגע שמבצעים פעולת השוואה מקבלים חזרה ערך ‪ boolian‬לכן בביטוי‪ d  s1 op s2 :‬ידוע כי ‪ d‬הוא בוליאני ו‪s2 , s1-‬‬ ‫הם שני אופרנדים מאותו הסוג (כלשהו רק לא ‪ int‬כפי שמסומן בטבלה)‪.‬‬ ‫פעולות הזזה הקיימות‪( sll :‬הזזה שמאלה ובביט הכי קטן יהיה אפס)‪( sla ,‬הזזה שמאלה כאשר הביט ‪ MSB‬הוא סימן)‪.‬‬ ‫‪( srl‬הזזה ימינה) וכנ"ל‪ .sra :‬סיבובים‪( rol :‬סיבוב שמאלה) ‪( ror‬סיבוב ימינה)‪.‬‬ ‫ניתן לבצע פעולה‪ s  a sll b :‬כאשר ‪ b‬הוא ‪ int‬המייצג כמה פעמים יש להזיז‪.‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪7.11.12 – 3‬‬ ‫להלן תכנית‪:‬‬ ‫הקבועים ‪ m‬ו‪ n-‬הם מספרים שלמים ותמיד הולכים מה‪ MSB-‬כלפי ה‪.LSB-‬‬ ‫מותר‪ ,‬אך לא כדאי ‪ ,‬שימוש בערכים שליליים‪ .‬מומלץ ש‪ n-‬יהיה אפס‪.‬‬ ‫;)‪a: in bit_vector (m down to n‬‬ ‫הכתיבה‪ a: bit_vector 1 to 8 ; :‬מעידה על כך שה‪ MSB-‬תמיד יהיה המספר הראשון (‪. )1‬‬ ‫נכתוב גם‪ b: bit_vector  9 dwon to 2 ; :‬ו‪. c: bit_vector  7 dwon to 0 ; -‬‬ ‫כעת הפעולה‪ c  a; :‬משמעה‪. c  7  =a 1 :‬‬ ‫הפעולה‪ c  a and c; :‬משמעה‪. b 8  a  2  and c  6  ; , b  9   a 1 and c  7  ; :‬‬ ‫ניתן לבצע פעולות ברמות ביטים בודדים ע"י שימוש באינדקס‪ .‬ניתן גם להשתמש בפעולות על חתיכה מהווקטור באמצעות‬ ‫אינדקסים‪ .‬למשל‪. a  2 to 4  b 8 down to 6  xor c  2 down to 0  :‬‬ ‫חשוב לשמור על הסינטקס בתוך האופרנדים‪ ,‬אם הראשון כתוב ב‪ down to-‬אז גם השני‪.‬‬ ‫השמת קבועים‪:‬‬ ‫שמים קבועים בשלב האתחול והם נכנסים לרגיסטרים באמצעות קווי הבקרה‪.‬‬ ‫ערכים מסוג ‪ bit‬יכתבו‪ .'1' , '0' :‬ערכים מסוג בוליאני יהיו אמת‪/‬שקר‪ .‬ערכים מסוג ‪ int‬יהיו דצימלים כגון ‪.10‬‬ ‫אם נרצה בסיס שונה יש לכתוב‪ base#const# :‬כגון‪ - 16#ABCD# :‬מספר הקסדצימלי ‪ ABCD‬על בסיס ‪.16‬‬ ‫לא נשתמש בבסיסים "מרתקים" כגון ‪ 5 ,9‬וכו'‪...‬‬ ‫ערכים קבועים מסוג ‪ bit_vector‬נכתבים כמחרוזות )‪ (string‬מה שחשוב הוא שמספר הביטים יהיו כמספר האובייקט המוגדר‬ ‫כגון‪ . "0100111100" :‬מותר לציין שמדובר בווקטור בינארי ע"י הכתיבה‪. b"0100111100" :‬‬ ‫בסיסים המותרים לשימוש הם אוקטלי והקסדצימלי‪ .‬למשל אוקטלי יכתב‪ . x  O"1234567"; :‬הקסדצימלי‪. x  X"1AFC"; :‬‬ ‫מה שחשוב הוא שהערך שמתקבל כקבוע חייב להיות כפולה של ‪ 3‬או ‪ 4‬לפי הבסיסים‪.‬‬ ‫כתיבה נוחה שקולה היא‪ . "01001000"  "0100_1000" :‬הקומפיילר לא מתרגש מזה וזה נוח יותר לקריאה‪.‬‬ ‫השמות לתוך מחזורות‪:‬‬ ‫נניח שיש לנו ;‪ . a,b,c,d: bit‬וגם‪ e: bit_vector  3 down ot 0 ; :‬נרצה לבצע השמה של ‪ a,b,c,d‬לתוך ‪.e‬‬ ‫נוכל לכתוב‪ . e  3  a; e  2  b; e 1  c; e  0   d; :‬נוכל גם‪( e   a,b,c,d  ; :‬זאת השמה לפי מיקום)‪.‬‬ ‫הסדר בצורות אלו משנה לנו ומשמעותי‪ .‬ניתן להכניס גם קבועים‪. e   a,"0",c,"1" ; :‬‬ ‫ניתן לכתוב‪ . e  17  a,22  b,16 down to 9  "1",2:1:23:8  c , others  d  ; :‬כך שולטים בצורה גדולה יותר‪.‬‬ ‫פעולת שרשור מחזורות נעשית באופן הבא‪:‬‬ ‫; ‪e: bit_vector  7 down ot 0‬‬ ‫;"‪e  "1" & b & 8 & O"6" & a & d & "0‬‬ ‫חשוב להקפיד להשים את אותה כמות הביטים שממנה מורכב ‪ – e‬משתנה ההשמה‪.‬‬ ‫‪|2‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪14.11.12 – 4‬‬ ‫הסוגים‪ Std_Logic :‬ו‪:Std_logic_vec-‬‬ ‫זכרונות סטטיים ניתנים לקריאה בכל עת בעוד שזיכרונות דינמיים דורשים ריענון מדי פעם אחרת הערכים שנקרא לא יהיו מדויקים‬ ‫ולעיתים לא נכונים‪.‬‬ ‫כדי לממש ביט ‪ inout‬נעזר בחוצץ ‪ 3‬מצבים )‪ (3 state buffer‬שהוא למעשה ‪ Transmission gate‬שראינו במעגלים ספרתיים‪.‬‬ ‫ערך המוצא יכול לקבל ‪ 1 , 0‬או ‪.High-Z‬‬ ‫‪ 9‬ערכים המזוהים במצב ‪:std_logic‬‬ ‫‪ -U‬ערכים שלא אותחלו‪.‬‬ ‫‪ –X‬התנגשות בין ‪ 0‬ו‪ 1-‬לוגים משני בלוקים אשר יצאתם מתחברת וברור כי הם מוצאים ערכים הפוכים‪.‬‬ ‫‪ – 0,1‬ערכים תקינים‪.‬‬ ‫‪ –W‬מצב התנגשות חלשה‪.‬‬ ‫‪ –L,H‬רמה לוגית נמוכה‪/‬גבוהה לא תקינה‪.‬‬ ‫'‪ – '-‬ערך ‪( .don’t care‬ערכים שאינן משפיעים מבחינתנו)‪ .‬כלי סינתזה לא אוהבים אותו בד"כ כי עלינו מוטלת החובה להחליט מה‬ ‫לעשות עם כל ביט ולא לצפות מהמערכת לבצע זאת בשבילנו‪.‬‬ ‫כדי להבין את משמעות ה‪ don’t care-‬נניח ‪ bus‬משותף למספר צרכנים‪ .‬כאשר יש צרכן שלא נבחר נוכל להשים את ערך זה‬ ‫בכניסתו כאשר נתכנת אותו למצב ‪ .disable‬היתרון בכך הוא שערך תקין הנמצא בכניסה לבלוק במדובר – קשה מאוד להבחנה בחוץ‬ ‫אם הוא נכנס או לא בעוד שאם נכנס ערך ‪ don’t care‬נוכל לזהותו במידה והוא נכנס‪.‬‬ ‫נצטמצם לערכים '‪ 'X' , '0' , '1' , 'Z‬המותרים לסינתזה‪.‬‬ ‫דוגמא של מצב נדיר הדורש שימוש ב‪:'X'-‬‬ ‫‪If(S/=R) than‬‬ ‫‪q  R,‬‬ ‫‪elseif (S='0') than‬‬ ‫;'‪q  'X‬‬ ‫;‪endif‬‬ ‫לגבי אי השוויון בכניסות אין כל בעיה כי זה בהחלט יתכן‪.‬‬ ‫במצב של ‪ elseif‬אנו מכסים את המצב הלא‪-‬רצוי בכדי למנוע התנגשות‪ .‬למעשה יש לנו פה מימוש של ‪ SR-FF‬כאשר הצירוף '‪'00‬‬ ‫הוא הצירוף האסור‪ .‬לכן אנו מגדירים אותו להיות '‪ 'X‬המתאר מצב‪-‬לא‪-‬מוגדר‪ .‬נציין כי אין צורך בתנאי '‪ S='0' && R='0‬מאחר‬ ‫ומדובר במקרה ‪ elseif‬המדבר על מצב בו הביטים לא מקיימים את התכונה המתוארת ב‪ if(…)-‬ולכן ברור כי הם שווים‪.‬‬ ‫בערך '‪ 'Z‬משתמשים במצבים נדירים בלבד כי אין להכניסו לתוך מערכת אלא הוא רק ביציאה‪.‬‬ ‫‪ENB‬‬ ‫‪i3‬‬ ‫‪ENB‬‬ ‫‪Dout‬‬ ‫‪i2‬‬ ‫‪Decoder‬‬ ‫‪ENB‬‬ ‫‪i1‬‬ ‫‪ENB‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫ערכי יציאה מותרים הם‪:‬‬ ‫‪.1000 , 0100 , 0010 , 0001‬‬ ‫צירופים אחרים יגררו מצב של‬ ‫התנגשות‪ .‬בכל צירוף‪ ,‬שאר‬ ‫היציאות שאינן ‪ 1‬יקבלו ערך של‬ ‫‪.High-Z‬‬ ‫‪i0‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪14.11.12 – 4‬‬ ‫ספריות הרחבה לשימוש ב‪:std_logic-‬‬ ‫;‪Library IEEE‬‬ ‫;‪Use IEEE.std_logic_1164.all‬‬ ‫עם ספריות אלו נוכל להשתמש בכל הפעולות על אובייקטים אלו מלבד פעולות אריתמטיות‪.‬‬ ‫הספרייה שאחראית על זה היא‪.use IEEE.std_logic_arith.all :‬‬ ‫כאשר מבצעים פעולות ‪ sign‬או ‪ unsign‬יש משמעות ולכן נוסיף את הספריות הבאות‪use IEEE.std_logic_unsigned.all :‬‬ ‫או ‪ .use IEEE.stdlogic_signed.all‬אם נשתמש למשל בשורה‪ if(c>x"04") than :‬כאשר "‪ c=X"80‬חייבים להשתמש בסימן‬ ‫כי הערך הנ"ל שלילי‪ .‬חשוב להתייחס לאותם הקווים החשמליים לכל אורך הדרך במערכות מרובות דרגות‪ .‬לכן נעבוד עם פורמט‬ ‫אחד לכל תתי המערכות‪.‬‬ ‫בסה"כ נכתוב את כל הספריות הבאות‪:‬‬ ‫;‪Library IEEE‬‬ ‫;‪use IEEE.std_logic_1164.all‬‬ ‫;‪use IEEE.std_logic_arith.all‬‬ ‫;‪use IEEE.std_logic_unsigned.all‬‬ ‫בדיקת תכנון ‪:Test-Bench (TB) -‬‬ ‫בדומה למעבדות – שבהן הכנסנו אותות חיצוניים – נבצע זאת גם כאן‪.‬‬ ‫נכתוב בלוק ‪ UUT , DUT‬או ‪ MUT‬בהתאם לגודל אשר יימצא בתוך ה‪.TB-‬‬ ‫עלינו לכתוב את ה‪ entity-‬של ה‪ TB-‬ולהצהיר על ה‪ DUT-‬כ‪.component -‬‬ ‫כעת עלינו להצהיר סיגנלים הנכנסים לתוך ה‪ component-‬הנ"ל )‪ (TG – Test generator‬ויוצאים למוניטור כלשהו‪.‬‬ ‫את כל הסיגנלים נאתחל בעת ההצהרה על מנת לא לקבל את '‪ 'U‬בהרצה‪.‬‬ ‫איתחול סיגנל בעת ההצהרה נראה באופן הבא‪.signal s: type:=init_value; :‬‬ ‫אחרי ‪ Begin‬מחברים את הסיגנלים אל ה‪ DUT-‬ב‪.Port map-‬‬ ‫מחוללי האותות יכולים להיות כל דבר‪ .‬כדי לנדנד שעון בתכנון נכתוב‪.clk  not clk after 5ns; :‬‬ ‫המילה ‪ after‬שמורה בזיכרון‪ .‬ניתן להגדיר זמנים מקנ"מ של שניות ועד ל‪.fs-‬‬ ‫נציין כי השמה זו היא השמה מתמשכת )‪ (Continuous assignment‬אשר אינה ניתנת לסינתזה אך זה לא מעניין אותנו‪.‬‬ ‫כדי ליצור נדנוד כלשהו של כל אות באפן חד פעמי נכתוב‪.s1  '0', '1' after 10ns , '0' sfter 20ns , …. :‬‬ ‫נוכל להמשיך כך כמה שנרצה‪.‬‬ ‫‪|2‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪21.11.12 – 5‬‬ ‫בלוק ה‪:Process-‬‬ ‫שפת ‪ VHDL‬כוללת מנגנון מובנה סגור הנקרא ‪ process‬ולו ניתן לתת תוויות ותיאור התהליך‪.‬‬ ‫אופן הכתיבה הוא‪:‬‬ ‫‪E1: process ( ) is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫כאשר ‪ E1‬הוא השם (אנו בוחרים) ובתוך הסוגריים נכנסת רשימת רגישות )‪ (sensitivity list‬המאפשרת גישה למשאבים שלו‬ ‫בלבד‪ .‬פעולה זו פועלת במקביל ליתר התהליכים בקוד‪ .‬הרשמה כוללת סיגנלים שהשינוי שלהם משפיע על הפעולות שבתוך הבלוק‪.‬‬ ‫לכן יש לכלול רק את הסיגנלים שמשפיעים על הפעולות‪ ,‬סיגנלים אחרים לא יכנסו‪.‬‬ ‫הבלוק הנ"ל הוא יוצא דופן בשפה המתבצע בצורה סדרתית עפ"י הרצף הכרונולוגי של הפעולות הרשומות בו‪.‬‬ ‫יחד עם זאת כל הבלוק עצמו פועל במקביל ליתר התהליכים‪ .‬זמן הביצוע של ‪ process‬הוא אפס מכיוון שמדברים על מודל אידילי‬ ‫ללא זמן השהייה‪.‬‬ ‫ניתן למיין ‪ process‬לשני סוגים‪:‬‬ ‫ חומרה צירופית (א‪-‬סינכרונית) ללא התערבות של שעון‪.‬‬‫ חומרת סדרתית (סינכרונית) ובה מעורב שעון‪.‬‬‫הסוגים משליכים לכללי הכתיבה של התהליך‪ .‬באסינכרונים רשימת הרגישות כוללת את כל הסיגנלים שקוראים ערך שלו בין‬ ‫להשמה בין להשאלה או תנאי – את כולם יש לכלול ברשימת הרגישות‪ .‬בתהליך סינכרוני כל הסיגנלים שנכנסים מייצגים ‪– FF‬‬ ‫כולם בעלי זיכרון‪.‬‬ ‫בדוגמא המופשטת להלן ניתן לראות כי מי שנכנס לרשימת הרגישות‬ ‫הוא כל מי שלא תלוי בשעון כולל השעון‪:‬‬ ‫שעון נכנס ושני הקווים ‪ Set‬ו‪.Reset (clr)-‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪in1‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪in2‬‬ ‫‪clk‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫היות ובשירשור של ‪ FF‬מקובלת ליצור קו קבוע שמאתחל את כולם ‪ -‬תמיד יש לכלול את ‪ .reset‬אין צורך גם ב‪ set-‬כי ה‪reset-‬‬ ‫של דרגה אחת נכנס ל‪ set-‬של הדרגה הבאה‪.‬‬ ‫;‪s  a and b‬‬ ‫במקרה של שתי השמות לאותו הערך כגון‪:‬‬ ‫;‪s  a or b‬‬ ‫במקרה של ‪ decoder‬עם ביטים בכניסה שנסמן ‪ din‬ואת הביטים במוצא נסמן ‪ , dout‬נכתוב את ‪ din‬בתוך רשימת הרגישות‪.‬‬ ‫בתוך הבלוק נכתוב‪ dout   others  '0' ; :‬ובשורה הבאה‪ . dout  conv_integer  din    '1'; :‬זו היא השמה כפולה‬ ‫‪ ,‬למרות שהכתיבה חסרת משמעות‪ ,‬רק הפעולה האחרונה תבוצע‪.‬‬ ‫אבל בתחילה קיבלנו אפס ורק לאחר מכן שמנו מספר‪ .‬הריאליזציה היא שבתחילה הכנסנו ל‪ dout -‬את‪ 00000000 :‬ולאחר מכן‬ ‫כאשר מתקבל בכניסה ערך‪ ,‬למשל ‪ ,3‬נקבל שינוי ל‪.00001000 -‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪21.11.12 – 5‬‬ ‫דוגמא למימוש ‪ Xor‬בשני שלבים‪:‬‬ ‫‪E1: process  a, b, c  is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫;‪s1  a xor b‬‬ ‫;‪s 2  s1 xor c‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫עפ"י האמור לעיל‪ ,‬כל משתנה שמשנה ערך במוצא צריך להיכלל ברשימת הרגישות‪ ,‬לכן גם ‪.s1‬‬ ‫במקרה שנוסיף אותו ניפול בבעיות סימולציות (בעיה של "ביצה ותרנגולת" בלתי פתירה)‪.‬‬ ‫לכן במקרים מעין אלו יש לחלק לשני ‪ Process‬ואין מעבר‪.‬‬ ‫בעיה הקשורה לרשימת הרגישות‪:‬‬ ‫‪E1: process  a  is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫;‪s  a xor b‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫לכאורה אין ‪ b‬ברשימת הרגישות‪ .‬המעבד מבין זאת בכך שיש משמעות לכך שהוא לא הוכנס‪ .‬לכן הוא רוצה לקמפל את התהליך‬ ‫באופן כזה ששינויי ‪ b‬לא ישפיעו‪ .‬לכן הוא יכניס את ‪ a‬לתוך ה‪ Xor-‬בצורה ישירה אבל ‪ b‬יחסם‪ .‬כדי לבצע זאת המעבד יחבר את‬ ‫הכניסה הזאת ל‪ Latch-‬כאשר ה‪ enb-‬שלו יקבע ע"י ‪ a‬באופן הבא‪:‬‬ ‫‪a‬‬ ‫‪S‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪b‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫יש לנו פעמיים ‪( Xor 16‬כי המשתנים הם בעלי ‪ 16‬ביטים) וגם שני ‪ Lacth‬בעלי ‪ 4‬שערים לפחות כל אחד מהם‪.‬‬ ‫הכפלנו את החומרה פי ‪ 8‬מהרצוי וקיבלנו התנהגות לא נכונה‪.‬‬ ‫המסקנה היא להכניס לרשימה את כל הסיגנלים הרצויים!‬ ‫‪|2‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ 21.11.12 – 5 ‫הרצאה‬ E1: process  clk , arst  is begin if   then elseif :‫ בתוך בלוק באופן כללי‬if ‫אופן הכתיבה של‬ :‫ אסינכרוני‬enb ‫ עם‬FF ‫דוגמא למימוש של‬   then else end if; end process E1; E1: process  clk , arst  is begin if  arst  '0 ' then :‫ אסינכרוני‬enb ‫ עם‬FF ‫דוגמא למימוש של‬ q  '0 '; elseif  clk' event and clk  1'1 then q  d; end if; end process E1; .‫ במקום השורה הארוכה‬elseif rising_edge  clk  then ‫דרך אחרת היא לכתוב‬ .‫ יגיב לאחד מהתנאים וזהו‬FF-‫ה‬ :T-FF ‫נכתוב‬ E1: process  clk , arst  is begin if  arst  '0 '  then q  '0 '; elseif rising_edge  clk  then if  t  '1'  then q  not q; end if; end if; end process E1; .‫הקוד כשר‬ ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- VHDL |3 21.11.12 – 5 ‫הרצאה‬ :JK-FF-‫דוגמא ל‬ E1: process  clk , arst  is begin if  arst  '0 '  then q  '0 '; elseif rising_edge  clk  then if  J /  k  then q  J; elseif  J  '1'  then q  not q; end if; end if; end process E1; :)‫ לא צריך להיכלל ברשימת רגישות כי הוא תלוי בשעון‬reset-‫ סינכרוני (כעת ה‬reset ‫ עם‬FF-‫דוגמא ל‬ .)‫ השעון וכל המשתנים שאינם תלויים בו ובלוק משתמש בהם בתנאים‬:‫(נזכור כי הגדרנו את המשתנים שנכנסים לרשימה‬ E1: process  clk  is begin if rising_edge  clk  then d SET Q clk if  srst  '0 '  then CLR q  '0 '; else q  d; end if; end if; end process E1; ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- D reset Q ‫ תלוי בשעון כי‬reset-‫ה‬ ‫המוצא ישתנה או שלא‬ ‫בהתאם אליו אבל רק‬ ‫ לכן‬.‫בעליית השעון‬ .‫אומרים שיש תלות‬ VHDL |4 28.11.12 – 6 ‫הרצאה‬ :Process ‫המשך‬ :Mux ‫המבנה הבא מייצג‬ E1: process  x, y  is begin if  a  b  then s  x; else s  y; end if; end process E1; Multiplexer x S1 y S2 D C ENB a=b . a  b :‫ שהוא‬select ‫ עם‬mux ‫יש לנו כאן‬ :‫ נקבל את הסכמה הבאה‬.Latch ‫בפועל לא יכנס השוויון הנ"ל באופן ישיר אלא ע"י‬ Multiplexer x S1 D SET CLR D S2 Q C Q ENB y D SET CLR a D SET CLR b D SET CLR Q Q Q Q Q Q .)select ‫ אמורה להיות‬MUX-‫ של ה‬ENB ‫(באיור הנ"ל כניסת‬ ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- VHDL |1 ‫הרצאה ‪28.11.12 – 6‬‬ ‫דוגמא נוספת – ‪ process‬סינכרוני‪:‬‬ ‫‪E1: process  clk , rst , ld , adat  is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫‪if  rst  '0 '  then‬‬ ‫; ‪s   others  '0 ' ‬‬ ‫‪elseif rising_edge  clk  then‬‬ ‫;‪s  din‬‬ ‫‪elseif  ld  '1' then‬‬ ‫; ‪s  adat‬‬ ‫;‪end if‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫המעבד יסמלץ את הדוגמא הנ"ל אך ישנה בעיה אחרת‪ .‬יש לנו כאן שימוש בלוגיקה סינכרונית ב‪ elseif-‬הראשון ושימוש‬ ‫בלוגיקה א‪-‬סינכרונית בשני‪ .‬ל‪ Q-‬ניתן לגשת בשני דרכים‪ ,‬או בצורות א‪-‬סינכרוניות (‪ set‬ו‪ )reset-‬או באמצעות השעון (סינכרוני)‪.‬‬ ‫אי אפשר יחד ולכן הפקודה פסולה‪ .‬העדיפות היא לגישה האסינכרונית‪ .‬כל מה שלא מיושם בדרך זו יוכל להתיישם בצורה סינכרונית‪.‬‬ ‫לכן המודל עובר סימולציה אך לא סינתזה‪.‬‬ ‫דוגמא נוספת‪:‬‬ ‫‪E1: process  clk , rst , data  is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫‪if  rst  '0 ' then‬‬ ‫;‪s  data‬‬ ‫‪elseif rising_edge  clk  then‬‬ ‫;‪s  din‬‬ ‫;‪end if‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫הבעיה כאן שפוסלת את הפקודה היא שהבקשה הזויה‪ .‬מנסים לבצע טעינה אסינכרונית לתוך ‪.Q‬‬ ‫למה רוצים לבצע זאת וכמה זה הולך לעלות לנו? התשובות לא כ"כ חיוביות‪..‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪3‬‬ ‫)‪Data(4‬‬ ‫‪reset‬‬ ‫‪|2‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ 28.11.12 – 6 ‫הרצאה‬ :‫ עם בקרת ספירה מעלה ומטה‬,‫ עם אפשור ספירה‬,‫ אסינכרוני‬reset ‫ עם‬,11 ‫דוגמא לכתיבת מונה עד‬ E1: process  clk , rst  is begin if  rst  '0 '  then count   others  '0 '  then elseif rising_edge  clk  then din Add/ sub Up/ down Multiplexer S1 D S2 1 0 enb C ENB count load rst if  load  '1'  then count  din; elseif rising_edge  enb  '1'  then if  up _ ndwn  '1'  then count  count  1; else count  count  1; end if; end process E1; E1: process  clk , rst  is begin if  rst  '0 '  then :)‫דוגמא חולנית במיוחד (לשון המרצה‬ q1  '0 '; elseif rising_edge  clk  then q1  d1; q 2  d 2; end if; end process E1; .reset-‫ לא מושפע מ‬q2 ‫ מוגדר לחלוטין אך המוצא‬q1 ‫ המוצא‬.‫ עבור שתי היציאות‬,FF 2 ‫רוצים לכתוב כאן‬ .)‫(נציין כי הסיבות ליצור דבר כזה צריכות להיות מאוד מדויקות היות ולא מקובל לדרוש דבר כזה‬ ‫ ויש‬1 ‫ הוא‬reset ‫ כן מקבל משמעות נוספת והיא כאשר‬reset .‫ שומר על הערך שלו‬reset ‫ שבו‬q2-‫ ל‬FF ‫יש לנו כאן ניסיון לכתוב‬ :‫ בנפרד‬process ‫ כדי להתגבר על זה יש לכתוב‬.)‫עליית שעון הכניסה כן עוברת למוצא (מופיע באיור‬ E1: process  clk  is begin if rising_edge  clk  then q 2  d 2; end if; end process E1; ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- d2 0 1 q2 rst VHDL |3 ‫הרצאה ‪28.11.12 – 6‬‬ ‫דוגמא אחרונה למימוש שני ‪:FF‬‬ ‫‪E1: process  clk  is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫‪if rising_edge  clk  then‬‬ ‫‪if  srst  '1'  then‬‬ ‫;' ‪q1  '0‬‬ ‫;‪else q1  d1‬‬ ‫;‪q 2  q1‬‬ ‫;‪end if‬‬ ‫;‪end if‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫התכוונו לממש את המעגל הבא‪:‬‬ ‫‪q2‬‬ ‫‪q1‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪din‬‬ ‫‪srst‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫‪clk‬‬ ‫הבעיה היא ש‪ q2-‬נכלל במסגרת הרגישה ל‪ .reset-‬לא כתוב מה לעשות איתו כאשר ‪ reset‬הוא ‪.1‬‬ ‫נקבל‪:‬‬ ‫‪d2‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪srst‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫‪SET‬‬ ‫‪din‬‬ ‫‪srst‬‬ ‫‪D‬‬ ‫‪CLR‬‬ ‫‪clk‬‬ ‫שוב יש לנו לוגיקה זיבלית‪ .‬הפתרון הוא להעביר את הפקודה ;‪ q2  q1‬או לפני הלולאה הפנימית או אחריה‪ .‬אז הכל יהיה בסדר‪.‬‬ ‫סיכום‪:‬‬ ‫בלוגיקה יש לנו שני עולמות – אסינכרונית (עדיפות ראשונה) וסינכרונית‪ .‬יש להתייחס רק לאירוע אחד (עלייה או ירידה) בלבד‪.‬‬ ‫אין להתייחס (ולתכנת) למספר שעונים שונים הנכנסים לשעון של אותו ה‪.FF-‬‬ ‫‪|4‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪5.12.12 – 7‬‬ ‫כלים נוספים בכתיבה התנהגותית‪:‬‬ ‫נלמד איך להתנות ביצוע של פעולה מסוימת המבוצעת באמצעות תהליך )‪.(process‬‬ ‫בשונה מלולאת ‪ if‬אנו פותחים באופן הבא בו נבדק סיגנל אחד בלבד ביחס לערכים הקבועים של אותו הסיגנל‪:‬‬ ‫‪case sig is‬‬ ‫;‪when "001"  .........‬‬ ‫;‪when "010"  .........‬‬ ‫;‪when "001" c1|c2|c3|c4|c5  .........‬‬ ‫;‪when 1 to 11  .........‬‬ ‫;‪when 11 downto 1  .........‬‬ ‫;‪when others  .........‬‬ ‫;‪end case‬‬ ‫בקטע קוד זה מופיעות כל צורות הכתיבה התקניות‪ .‬חשוב לפרט על כל הערכים שהסיגנל יכול לקבל‪.‬‬ ‫לאחר החץ כותבים את כל המצבים שאנו רוצים שסיגנל יקבל ערכים לפיהם כגון‪.  s1  a  b; :‬‬ ‫דוגמא‪:‬‬ ‫;‪ s2  .........‬‬ ‫;‪ s2  .........‬‬ ‫;‪ s2  .........‬‬ ‫;‪ s2  .........‬‬ ‫‪case s1 is‬‬ ‫"‪when "00‬‬ ‫"‪when "01‬‬ ‫"‪when "10‬‬ ‫"‪when "11‬‬ ‫;‪end case‬‬ ‫הקומפיילר לא יעביר את זה כי הסיגנל הוא מסוג ‪ std_logic‬המכיל ‪ 9‬ערכים לכל ביט ולכן יש ‪ 11‬צירופים‪.‬‬ ‫;‪when others  s2  .........‬‬ ‫יש לנו ‪ 77‬צירופים שלא מכוסים ולכן נוסיף את השורה‪:‬‬ ‫הבעיה היא מה לכתוב בתנאי של מקרה זה‪ .‬היות והדבר לעולם לא קורה במערכת אמיתית (כל המקרה ממומש באמצעות ‪)mux‬‬ ‫נוכל לכתוב‪  s 2  y; :‬למשל‪ .‬נניח כי זה הוא גם הערך שמתקבל כאשר‪when "11"  s 2  y; :‬‬ ‫אז נעדיף לחבר ולכתוב‪:‬‬ ‫‪case s1 is‬‬ ‫;‪when "00"  s2  .........‬‬ ‫;‪when "01"  s2  .........‬‬ ‫;‪when "10"  s2  .........‬‬ ‫;‪when others  s 2  y‬‬ ‫;‪end case‬‬ ‫זה הוא פתרון אך קטע קוד זה אינו ברור בעליל לכל נפש ולכן מקובל להשתמש במילה שמורה ‪ NULL‬באופן הבא‪:‬‬ ‫;‪when others  NULL‬‬ ‫השימוש ב‪ NULL-‬מותנה בכך שיש לנו זכרונות מכיוון שאי‪-‬עשייה היא פעולה הדורשת זיכרון‪.‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪5.12.12 – 7‬‬ ‫לולאות‪:‬‬ ‫קיים כלי חזק מאוד המאפיין לנו כתיבת קוד התנהגותי המשמש תיאור של מערכות הפועלות בצורה איטרטיבית‪.‬‬ ‫לצורך כך קיימות לולאות – יש לנו ‪ 3‬סוגים של לולאות שונות‪.‬‬ ‫נדבר היום על לולאת ‪:for‬‬ ‫‪for i in n to m loop‬‬ ‫)‪( m downto n‬‬ ‫;‪end loop‬‬ ‫נציין כי הגדרת משתנה האינדקס היא לוקלית‪ ,‬אין צורך להגדיר אותו בחוץ והוא מת מיד בתום הלולאה‪.‬‬ ‫חייב להתקיים‪. m  n :‬‬ ‫ניתן גם להשתמש בפקודות‪ next :‬ו‪ exit-‬המשמשות כ‪ count-time-‬ו‪ break-‬בהתאמה‪.‬‬ ‫בפקודה ‪ next‬קופצים לסוף הלולאה אם התנאי מתקיים‪ .‬בפקודה ‪ exit‬נקפוץ גם על השורה ‪ end loop‬ונצא לגמרי מהלולאה‪.‬‬ ‫מקובל להשתמש בתוויות ללולאות (במערכות גדולות) ואז נוסיף‪ L1: for in n to m loop :‬וגם בשורה האחרונה‪.‬‬ ‫דוגמא‪:‬‬ ‫‪L1: for . . . . loop‬‬ ‫‪L2: for . . .‬‬ ‫‪L3: for . . .‬‬ ‫;‪End loop L3‬‬ ‫;‪End loop L2‬‬ ‫;‪End loop L1‬‬ ‫באיזה שלב שנכתוב את הפעולות ‪ next‬ו‪ exit-‬אנו נצא מהלולאה המכוננת המסוימת שבה הם נמצאים‪.‬‬ ‫הערות‪:‬‬ ‫‪.1‬נזכור כי בקלות ניתן לשרוף משאבים ע"י שימוש בריצות ארוכות מדי‪.‬‬ ‫‪ . 2‬חשוב להבין את טיב החומרה הכתובה בלולאות אחרת הקומפיילר לא יעבד אותה מכיוון שהכל ממומש לחומרה‪.‬‬ ‫דוגמא לכתיבת ‪:priority encoder‬‬ ‫‪E1: process  din  is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫; ‪dout  others  '0 ' ‬‬ ‫‪for i in din'renge loop‬‬ ‫; ‪dout  i   din  i ‬‬ ‫; ‪exit when  din  i   '1' ‬‬ ‫;‪end loop‬‬ ‫;‪end process E1‬‬ ‫‪|2‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ 5.12.12 – 7 ‫הרצאה‬ :‫נציין צורות כתיבת נוספות‬ .‫ כפי שהוגדר‬s ‫ – מחזיר את הטווח של הסיגנל‬s'renge .s ‫ – מחזיר את הטווח בצורה הפוכה של הסיגנל‬s'reverserenge .s ‫ – מחזיר את האורך של‬s'length .‫ – מחזיר את הערך הנמוך ביותר בטווח‬s'low .‫ – מחזיר את הערך הגבוה ביותר בטווח‬s'high .‫ – מחזיר את הערך השמאלי ביותר בטווח‬s'left .‫ – כנ"ל עם הערך הימני ביותר בטווח‬s'right signal s : stdlogic_vector 15 downto 0  ; :shift left register ‫דוגמא למימוש‬ E1: process  clk , rst  is begin if  rst  '0 '  then s   others  '0 '  ; elseif rising_edge  clk  then if  enb  '1' then for i in s'reverserenge loop if  i  s 'low  then s  i   sin; else s  i   s  i  1 ; end if; end loop; end if; end if; end process E1; :‫ניתן לכתוב בצורה יעילה וקריאה יותר את הלולאה האחרונה באמצעות השורה הבאה‬ s  s   s'high-1 downto s'low  & sin ; ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- VHDL |3 12.12.12 – 8 ‫הרצאה‬ :‫הערה בנוגע להקצאת זיכרון המתבצעת ע"י המחשב בזמן סימולציה של תוכנית‬ int ‫ בתים (המון!) מומלץ לעבוד כמה שיותר עם סוגים זולים כגון‬8 ‫היות והקצאת הזיכרון לביט בודד בסימולציה של תוכנית היא‬ ‫ הערכים‬9 ‫ וידוע כי הביטים לא אמורים כלל לקבל ערכים מסוים מתוך‬std_logic-‫ ניתן במצבים שמשתמשים ב‬.boolian ‫או‬ . s  to_01ZX  s1 ; :‫ באופן הבא‬to_01ZX , to_01Z , to_01 :‫שהכרנו לכתוב המרה שמקלה על הזיכרון‬ .to ‫ אבל יכול לקבל רק את הערכים הנקובים בפונקציה‬S ‫ והוא מושם לתוך‬std_logic ‫ הוא מסוג‬S1 ‫הסיגנל‬ .‫פעולה זו מאפשרת לזיכרון להקצות פחות מקום העת ההרצה וחוסכת זמן במהלך הסימולציה‬ :Generic Constant – ‫קבועים כלליים‬ :‫לאחר השורה הראשונה ניתן להגדיר קבועים באופן הבא‬ entity e_name is generic ( cont1: type:= init_value ; const2: type := init_value; . . . ) port ( ); end entity e_name; :‫כל קבוע מקבל סוג ומספר התחלה כגון‬ entity gcnt is generic (side : integer : = 100 ) port ( clk : in std_logic ; rst : in std_logic ; din : in std_logic_vector ((size-1) downto 0 ) ; ld : in std_logic ; en : in std_logic ; dout : in std_logic ((size-1) downto 0 ) ); end entity gcnt; architecture arc_ gcnt of gcnt is signal out: std_logic_vector (dout'range); begin process (clk , rst) is begin if (rst = '0') then out  (others  '0'); elseif rising_edge (clk) then if (ld = '1') then out  din; elseif (en ='1') then out  af+1; end if; end if; end process; dout  count; end architecture; ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- VHDL |1 12.12.12 – 8 ‫הרצאה‬ Port map -‫ אם הוא נכנס בתוך ה‬.‫ הולך להיות בכל התכנית יש לאתחל אותו בהגדרתו‬Generic-‫אם ה‬ .‫אפשר להשאיר ריק‬ :Generate ‫לולאת‬ .‫ עבור פעולות גדולות יותר‬component ‫המטרה היא לכתוב באופן כללי יותר‬ .component ‫ פעמים‬n ‫ לא נכתוב‬.‫ ביטים‬2 ‫ של‬Adder ‫ ביטים באמצעות‬n ‫ של‬adder ‫נניח שרוצים לממש‬ Carry_out-‫ ו‬Carry_in ‫ כל הבלוקים המשורשרים אליו הם בעלי‬,carry_in ‫ בלוק ראשון הוא ללא‬,‫ מקרים‬3 ‫נציין כי יש לנו‬ :‫ נכתוב‬.n+1-‫ בערך הביט ה‬Carry_out :‫והבלוק האחרון מחליף‬ g1: for i in a'reverse_range generate g2: if (i=a'low) ganarate u1: fa port map ( a  a(i) , b  b(i) ci  '0', s  s(i), co  c(i) ); end_ganarate g2; g3: if (i=a'high) generate u1 : fa port map ( a  a(i) , b  b(i) , ci  c(i-1) , s  s(i) , co  s(i+1) ); end_ganarate g3; g4: if (i/= a'low and i/= a'high) generate u1 : fa port map ( a  a(i) , b  b(i) , ci  c(i-1) , s  s(i) , co  c(i) ); end_ganarate g4; end_ganarate g1; ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- VHDL |2 ‫הרצאה ‪12.12.12 – 8‬‬ ‫ניתן לפשט את התמונה ולחסוך את ההתמודדות עם מקרי הקצה‪ .‬עלינו להגדיל את שרשרת ה‪ ,Carry -‬לקבוע אותה כ‪ 11-‬ביט במקום‬ ‫‪ 11‬ואז נוכל לדלג על הרבה שלבים ע"י שנכתוב פשוט (מחוץ למסגרת ‪:)Generate g1‬‬ ‫;'‪c(0)  '0‬‬ ‫;)‪s(16)  c(16‬‬ ‫כעת עלינו לכתוב רק את ה‪ port map-‬הראשון‪.‬‬ ‫ניתן התייחסות ל‪ generic-‬בתוך חומרה באופן הבא‪:‬‬ ‫נניח ויש לנו חומרה כלשהי ‪ ,s‬ואנו רוצים להתייחס למשתנה כללי אז יש להשים ‪ .Register‬מבצעים זאת כך‪:‬‬ ‫"‪generic ( kind_of_output: string:= "registered"); -- "unregistered‬‬ ‫) "‪g1: if (kind_of_output ="unregistered‬‬ ‫;‪dout  s‬‬ ‫;‪end generate g1‬‬ ‫‪g2: if (kind_of_output ="registered" ) generate‬‬ ‫‪process (din) is‬‬ ‫‪begin‬‬ ‫‪if rising_edge (clk) then‬‬ ‫;‪dout  s‬‬ ‫;‪end if‬‬ ‫;‪end process‬‬ ‫;‪end generate g2‬‬ ‫‪:Wait Statement‬‬ ‫השימוש ב‪ wait-‬בא במקום רשימת הרגישות ומתבצע בתוך התהליכים בלבד‪ .‬הם לא יבואו יחד‪ .‬יש לנו ‪ 4‬צורות לשימוש בהם‪:‬‬ ‫‪ - wait; .1‬עצירה של תהליך לנצח‪ .‬נשתמש בו לביצוע חד פעמי של תהליך ללא אפשרות חזרה‪.‬‬ ‫‪ - wait for time units; .2‬עצירה למשך זמן מסוים‪ ,‬כאשר ב‪ time-‬נכתוב את הזמן שלנו וב‪ units-‬את יחידות הזמן‪.‬‬ ‫‪ wait on s1,s2,….,sn; .3‬מחכים עד לשינוי לכל כיוון של לפחות אחד מהסיגנלים המופיעים ברשימה‪.‬‬ ‫‪ wait until (cond.); .4‬מחכים עד למילוי התנאי הכתוב בסוגריים‪.‬‬ ‫כאשר משתמשים ב‪ wait-‬כל הסיגנלים שלפניו מתעדכנים גם אם העצירה היא ל‪"-‬אפס" זמן‪.‬‬ ‫נציין כי ב‪ VHDL-‬ניתן להגדיר משתנה מסוג ‪ time‬שכל תפקידו הוא לקבוע משך זמן‪.signal t : time; :‬‬ ‫הפונקציה ‪ Now‬מחזירה את ערך הזמן הנוכחי‪ .‬ניתן להשתמש באופן הבא‪( .t1  now; :‬כאשר ‪ t1‬מוגדר סוג ‪.)time‬‬ ‫ניתן להגדיר אותה בתור תנאי‪. if (now_t1) > 100 ns then :‬‬ ‫ניתן לשלב בין הצורות‪ .wait on rst until rising_edge(clk) for 1 us; :‬מחכים לשילוב של שינוי ב‪ reset-‬יחד עם עליית שעון‬ ‫או עד ‪ ,1us‬מה שבא קודם‪.‬‬ ‫‪|3‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ ‫הרצאה ‪19.11.11 – 9‬‬ ‫מבני מערכות‪:‬‬ ‫באיור הבא יש לנו מבנה כללי של מערכת ספרתית‪.‬‬ ‫השכבה המקווקות היא שכבת החומרה )‪ (Hardware‬הנשלטת ע"י מערכת תוכנה )‪.(Software‬‬ ‫תפקיד החומרה הוא עיבוד נתונים דרך ה‪ .Operational Unit-‬אלו הם רכיבים "דלי מוח" הנשלטים ע"י ה‪.Control Unit-‬‬ ‫הבקר שולח מילות בקרה המאפשרות שליטה מלאה על ה‪ OU-‬דרך ה‪ Control-‬והחומרה מעדכנת את הבקרה באמצעות קווי המצב‬ ‫(‪ .)Status‬כלפי חוץ – כשעולים לשכבת התוכנה )‪ – (Software‬יש לנו את הבקרה החיצונית ‪ external control‬ואת דיווח מצב‬ ‫‪.external status‬‬ ‫‪din‬‬ ‫‪Data‬‬ ‫‪Path‬‬ ‫)‪(OU‬‬ ‫‪control‬‬ ‫‪ext.cntrl.‬‬ ‫‪FSM‬‬ ‫)‪(CU‬‬ ‫‪status‬‬ ‫‪microC/‬‬ ‫‪user etc.‬‬ ‫‪ext.statu‬‬ ‫‪s.‬‬ ‫‪dout‬‬ ‫החומרה ניתנת לסיווג למכונות מילי )‪ (mealy‬ומקרים פרטיים של ‪.moore‬‬ ‫להלן תרשים זרימה של מכונת המצבים‪:‬‬ ‫(הקו המקווקו קיים רק ב‪.)Mealy-‬‬ ‫‪next state‬‬ ‫‪in‬‬ ‫‪out‬‬ ‫‪next‬‬ ‫‪state‬‬ ‫‪logic‬‬ ‫‪current‬‬ ‫‪state‬‬ ‫‪state‬‬ ‫‪Reg.x‬‬ ‫‪output‬‬ ‫‪logic‬‬ ‫ב‪ moore-‬מבקשים בקשה‪ ,‬המערכת מתכנסת ומוציאה מוצא במצב הבא‪ .‬ב‪ mealy-‬המוצא נכנס גם לכניסה‪.‬‬ ‫ב‪ mealy-‬המוצא הוא פונקציה של הכניסה והמצב הנוכחי‪ ,‬לכן בשינוי הכניסה‪ ,‬המוצא משתנה מיד ועימו גם המצב הנוכחי ואז פעם‬ ‫נוספת משתנה המוצא עקב היותו תלוי בשניהם‪ .‬לכן יש לנו סכנה בקבלת שרשרת של תגובות במוצא‪.‬‬ ‫ב‪ VHDL-‬כותבים את ההתנהגות של המכונה (ולא טבלאות כפי שראינו במל"ס)‪ .‬להלן תיאור מכונת מצבים פשוטה‪:‬‬ ‫_‪write‬‬ ‫‪mem‬‬ ‫‪y2‬‬ ‫‪y2‬‬ ‫‪x1‬‬ ‫‪y1‬‬ ‫‪idle‬‬ ‫‪x1 x2‬‬ ‫‪y1‬‬ ‫‪x1‬‬ ‫‪y1 y2‬‬ ‫‪x1 x2‬‬ ‫_‪read‬‬ ‫‪mem‬‬ ‫‪y2‬‬ ‫‪x2‬‬ ‫אנו נכתוב מעל ה‪ entity-‬את הסוג של הגדרת המצבים שלנו באמצעות ‪ type‬באופן הבא‪type fsm_st is ( ) :‬‬ ‫כאשר בסוגריים נכתוב את המצבים‪ .)idle , read mem , write mem) :‬מגדירים גם את האותות‪.signal ns , cs : fsm_st ; :‬‬ ‫מקובל לרשום את הערך הנמוך ביותר בתחילת הסוגריים ולאחריו את הערכים בסדר גדל‪ .‬המבנה הקלאסי של מכונת המצבים מתואר‬ ‫בסכמה לעיל‪ .‬ה‪ state Reg-‬הוא לוגיקה ישירה‪ .‬ה‪ NS-‬הם לוגיקה צירופית המקבלת הוראות מה לעשות ובאיזה מצב אנחנו‪ .‬כנ"ל‬ ‫לגבי ה‪ .Output-‬נזכור כי עוסקים בלוגיקה צירופית ולכן יש לכסות את כל המצבים אחרת נקבל ‪-latch‬ים‪.‬‬ ‫חובה להגדיר את המצב ההתחלתי שבו המכונה מתעוררת‪ .‬בעמוד הבא מופיע תיאור המלא‪.‬‬ ‫‪|1‬‬ ‫‪VHDL‬‬ ‫‪ -‬סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬ 19.11.11 – 9 ‫הרצאה‬ type fsm_st is (idle , read mem, write mem); signal ns , cs : fsm_st; begin state_reg : process (clk , rst) is begin if (rst <= '0') then cs <= idle; elseif rising_edge (clk) then cs<=ns; endif; end process state_reg; common_logic: process (cs , x) is -- ‫הלוגיקה עבור המצב הבא והמוצא זהה ולכן כותבים תהליך פעם אחת‬ begin ns<=cs; -- ‫שורה זו תורמת לקיצור הכתיבה בכך שהמצב הבא יקבל תמיד את הערך המצב הנוכחי בהתאם לקייסים‬ y[2]<= '0' ; y[1]<='0'; case cs is when idle => if ( x[1]='1') then ns <=read_mem; y[2] <='1'; elseif ns<=idle; y[1]<='1'; endif; when read_mem => if (x[2]='1') then ns <=write_mem; y<='11'; elseif (x[1] = '0') then ns<=idle; y[1]<='1'; else ns<=read_mem; y[2]<='1'; endif; when write_mem => ns<=idle; y[2]<='1'; end case; end process; ‫ סיכום ועריכה מאת שי ידרמן‬- VHDL |2