Lenguaje VHDL

VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) es un lenguaje de descripción de hardware estructurado para modelar sistemas digitales, que vio su origen en el programa VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit), VHDL es sólo uno de un conjunto de lenguajes especializados en la descripción de elementos de hardware como ABEL, Verilog, AHDL(Analog Hardware Description Language), entre otros; que se caracterizan por permitir implementar casi cualquier tipo de circuito lógico sin la necesidad de utilizar esquemáticos pues la descripción de los componentes y su comportamiento se hace por medio de instrucciones similares a las de un lenguaje de programación como PASCAL o C. Aún cuando el estándar no coloca ninguna limitación a la complejidad del diseño, no todos los circuitos descritos con VHDL pueden ser traducidos a una implementación física posterior. Este proceso de tomar el código en VHDL y generar los elementos lógicos que efectúan la función deseada se conoce como síntesis. Las descripciones que admiten este proceso se les denomina Sintetizables.

A mediados de los años setenta se produce una fuerte evolución en los procesos de fabricación de los circuitos integrados, y junto a las tecnologías bipolares, surge la MOS(metal oxide semiconductor), principalmente la NMOS(Negative-channel Metal-Oxide Semiconductor), promoviendo el desarrollo de circuitos digitales hasta la primera mitad de los años ochenta.

Alrededor de 1981 el Departamento de Defensa de los Estados Unidos desarrolla un proyecto llamado VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit ) su objetivo era rentabilizar las inversiones en hardware haciendo más sencillo su mantenimiento. Se pretendía con ello resolver el problema de modificar el hardware diseñado en un proyecto para utilizarlo en otro, lo que no era posible hasta entonces porque no existía una herramienta adecuada que armonizase y normalizase dicha tarea, era el momento de los HDL's (Hardware Description Language).

En 1983, IBM, Intermetrics y Texas Instruments empezaron a trabajar en el desarrollo de un lenguaje de diseño que permitiera la estandarización, facilitando con ello, el mantenimiento de los diseños y la depuración de los algoritmos, para ello el IEEE propuso su estándar en 1984.

Tras varias versiones llevadas a cabo con la colaboración de la industria y de las universidades, que constituyeron a posteriori etapas intermedias en el desarrollo del lenguaje, el IEEE publicó en diciembre de 1987 el estándar IEEE std 1076-1987 que constituyó el punto firme de partida de lo que después de cinco años sería ratificado como VHDL.

Esta doble influencia, tanto de la empresa como de la universidad, hizo que el estándar asumido fuera un compromiso intermedio entre los lenguajes que ya habían desarrollado previamente los fabricantes, de manera que éste quedó como ensamblado y por consiguiente un tanto limitado en su facilidad de utilización haciendo dificultosa su total comprensión. Este hecho se ha visto incluso ahondado en su revisión de 1993.

Pero esta deficiencia se ve altamente recompensada por la disponibilidad pública, y la seguridad que le otorga el verse revisada y sometida a mantenimiento por el IEEE.La independencia en la metodología de diseño, su capacidad descriptiva en múltiples dominios y niveles de abstracción, su versatilidad para la descripción de sistemas complejos, su posibilidad de reutilización y en definitiva la independencia de que goza con respecto de los fabricantes, han hecho que VHDL se convierta con el paso del tiempo en el lenguaje de descripción de hardware por excelencia.

VHDL es sólo uno de un conjunto de lenguajes especializados en la descripción de elementos de hardware como ABEL, Verilog, AHDL, entre otros; que se caracterizan por permitir implementar casi cualquier tipo de circuito lógico sin la necesidad de utilizar esquemáticos pues la descripción de los componentes y su comportamiento se hace por medio de instrucciones similares a las de un lenguaje de programación como PASCAL o C. Aún cuando el estándar no coloca ninguna limitación a la complejidad del diseño, no todos los circuitos descritos con VHDL pueden ser traducidos a una implementación física posterior. Este proceso de tomar el código en VHDL y generar los elementos lógicos que efectúan la función deseada se conoce como síntesis. Las descripciones que admiten este proceso se les denomina Sintetizables.

VHDL es un lenguaje de tipos fuertes (strong typing) como el Ada o Pascal. Esto significa que no pueden asignarse valores a señales o variables que no sean del tipo declarado para esa señal o variable. Para poder asignar un tipo diferente, el programador debe llamar explícitamente a una función de conversión de tipo.

Hay cuatro clases de objetos en VHDL: constantes, variables, señales y archivos. El tipo de un objeto es muy importante, ya que no solo define que valores podrá tomar, sino también que operaciones se pueden realizar sobre él.

VHDL fue desarrollado como un lenguaje para el modelado y simulacion logica dirigida por eventos de sistemas digitales, y actualmente se lo utiliza tambien para la sintesis automatica de circuitos. El VHDL fue desarrollado de forma muy parecida al ADA debido a que el ADA fue tambien propuesto como un lenguaje puro pero que tuviera estructuras y elementos sintacticos que permitieran la programacion de cualquier sistema hardware sin limitacion de la arquitectura. El ADA tenia una orientacion hacia sistemas en tiempo real y al hardware en general, por lo que se lo escogio como modelo para desarrollar el VHDL.

VHDL es un lenguaje con una sintaxis amplia y exible que permite el modeladov estructural, en flujo de datos y de comportamiento hardware. VHDL permite el modelado preciso, en distintos estilos, del comportamiento de un sistema digital conocido y el desarrollo de modelos de simulacion.

Uno de los objetivos del lenguaje VHDL es el modelado. Modelado es el desarrollo de un modelo para simulacion de un circuito o sistema previamente implementado cuyo comportamiento, por tanto, se conoce. El objetivo del modelado es la simulacion.

Otro de los usos de este lenguaje es la sintesis automatica de circuitos. En el proceso de sintesis, se parte de una especicacion de entrada con un determinado nivel de abstraccion, y se llega a una implementacion mas detallada, menos abstracta. Por tanto, la sintesis es una tarea vertical entre niveles de abstraccion, del nivel mas alto en la jerarquia de diseño se va hacia el mas bajo nivel de la jerarquia.

El VHDL es un lenguaje que fue dise~nado inicialmente para ser usado en el modelado de sistemas digitales. Es por esta razon que su utilizacion en sintesis no es inmediata, aunque lo cierto es que la sosticacion de las actuales herramientas de sintesis es tal que permiten implementar diseños especi cados en un alto nivel de abstraccion.

La sintesis a partir de VHDL constituye hoy en dia una de las principales aplicaciones del lenguaje con una gran demanda de uso. Las herramientas de sintesis basadas en el lenguaje permiten en la actualidad ganancias importantes en la productividad de diseño.

Algunas ventajas del uso de VHDL para la descripcion hardware son:

- VHDL permite diseñar, modelar, y comprobar un sistema desde un alto nivel de abstraccion bajando hasta el nivel de definicion estructural de puertas.

- Circuitos descritos utilizando VHDL, siguiendo unas guias para sintesis, pueden ser utilizados por herramientas de sintesis para crear implementaciones de diseños a nivel de puertas.

- Al estar basado en un estandar (IEEE Std 1076-1987) los ingenieros de toda la industria de diseño pueden usar este lenguaje para minimizar errores de comunicacion y problemas de compatibilidad.

- VHDL permite diseño Top-Down, esto es, permite describir (modelado) el comportamiento de los bloques de alto nivel, analizandolos (simulacion), y rediseñar la funcionalidad de alto nivel requerida antes de llegar a niveles mas bajos de abstraccion de la implementacion del diseño.

- Modularidad: VHDL permite dividir o descomponer un diseño hardware y su descripcion VHDL en unidades mas pequeñas.

VHDL describe estructura y comportamiento.

Existen dos formas de describir un circuito. Por un lado se puede describir un circuito indicando los diferentes componentes que lo forman y su interconexion, de esta manera tenemos especicado un circuito y sabemos como funciona; esta es la forma habitualen que se han venido describiendo circuitos y las herramientas utilizadas para ello han sido las de captura de esquemas y las descripciones netlist.

La segunda forma consiste en describir un circuito indicando lo que hace o como funciona, es decir, describiendo su comportamiento. Naturalmente esta forma de describir un circuito es mucho mejor para un diseñador puesto que lo que realmente lo que interesa es el funcionamiento del circuito mas que sus componentes. Por otro lado, al encontrarse lejos de lo que un circuito es realmente puede plantear algunos problemas a la hora de realizar un circuito a partir de la descripcion de su comportamiento.

El VHDL va a ser interesante puesto que va a permitir los dos tipos de descripciones:

Estructura: VHDL puede ser usado como un lenguaje de Netlist normal y corriente donde se especi can por un lado los componentes del sistema y por otro sus interconexiones.

Comportamiento: VHDL tambien se puede utilizar para la descripcion comportamental o funcional de un circuito. Esto es lo que lo distingue de un lenguaje de Netlist. Sin necesidad de conocer la estructura interna de un circuito es posible describirlo explicando su funcionalidad. Esto es especialmente util en simulacion ya que permite simular un sistema sin conocer su estructura interna, pero este tipo de descripcion se esta volviendo cada dia mas importante porque las actuales herramientas de sintesis permiten la creacion automatica de circuitos a partir de una descripcion de su funcionamiento.

Ejemplo basico de descripcion VHDL

Describir en VHDL un circuito que multiplexe dos lineas (a y b) de un bit, a una sola linea (salida) tambien de un bit; la se~nal selec sirve para indicar que a la salida se tiene la linea a (selec='0') o b (selec='1').

En la figura 1 se muestra el circuito implementado con puertas logicas que realiza la funcion de multiplexacion.

Figura #1. Esquema del ejemplo basico en lenguaje VHDL

Lo que se va a realizar a continuacion es la descripcion comportamental del circuito de la figura 1, y luego se realizara la descripcion estructural para ver las diferencias. Mas adelante se vera que hay dos tipos de descripcion comportamental, pero de momento, el presente ejemplo unicamente pretende introducir el lenguaje VHDL y su estructura.

La sintaxis del VHDL no es sensible a mayusculas o minusculas por lo que se puede escribir como se pre era. A lo largo de las explicaciones se intentara poner siempre las palabras claves del lenguaje en mayusculas para distinguirlas de las variables y otros elementos.

En primer lugar, sea el tipo de descripcion que sea, hay que de nir el simbolo o entidad del circuito. En efecto, lo primero es de nir las entradas y salidas del circuito, es decir, la caja negra que lo de ne. Se le llama entidad porque en la sintaxis de VHDL esta parte se declara con la palabra clave ENTITY. Esta definicion de entidad, que suele ser la primera parte de toda descripcion VHDL, se expone a continuacion:

-- Los comentarios empiezan por dos guiones
ENTITY mux IS
PORT ( a: IN bit;
b: IN bit;
selec: IN bit;
salida: OUT bit);
END mux;

Esta porcion del lenguaje indica que la entidad mux (que es el nombre que se le ha dado al circuito) tiene tres entradas de tipo bit, y una salida tambien del tipo bit. Los tipos de las entradas y salidas se veran mas adelante. El tipo bit simplemente indica una linea que puede tomar los valores '0' y '1'.

La entidad de un circuito es unica, sin embargo, se mostro que un mismo simbolo, en este caso entidad, podria tener varias vistas o en el caso de VHDL arquitecturas. Cada bloque de arquitectura, que es donde se describe el circuito, puede ser una representacion diferente del mismo circuito. Por ejemplo, puede haber una descripcion estructural y otra comportamental, ambas son descripciones diferentes, pero ambas descripciones corresponden al mismo circuito, simbolo, o entidad. Veamos entonces la descripcion comportamental:

ARCHITECTURE comportamental OF mux IS
BEGIN
PROCESS(a,b,selec)
BEGIN
IF (selec='0') THEN
salida<=a;

ELSE
salida<=b; END IF; END PROCESS; END comportamental;

Mas adelante se vera lo que hace un bloque PROCESS, de momento, y como primera aproximacion, se considerara que es una especie de subrutina cuyas instrucciones se ejecutan secuencialmente cada vez que algunas de las se~nales de la lista sensible cambia. Esta lista sensible es una lista de se~nales que se suele poner junto a la palabra clave PROCESS, y en el caso del ejemplo es (a,b,selec). Esta descripcion comportamental es muy sencilla de entender ya que sigue una estructura parecida a los lenguajes de programacion convencionales. Lo que se esta indicando es simplemente que si la se~nal selec es cero, entonces la salida es la entrada a, y si selec es uno, entonces la salida es la entrada b. Esta forma tan sencilla de describir el circuito permite a ciertas herramientas sintetizar un circuito a partir de una descripcion comportamental como esta. La diferencia con un Netlist es directa: en una descripcion comportamental no se estan indicando ni los componentes ni sus interconexiones, sino simplemente lo que hace, es decir, su comportamiento o funcionamiento.

La descripcion anterior era puramente comportamental, de manera que con una secuencia sencilla de instrucciones podamos de nir el circuito. Naturalmente, a veces resulta mas interesante describir el circuito de forma que este mas cercano a una posible realizacion fisica del mismo. En ese sentido VHDL posee una forma de describir circuitos que ademas permite la paralelizacion de instrucciones y que se encuentra mas cercana.

Elementos sintacticos del VHDL.

El lenguaje VHDL es verdaderamente un lenguaje, por lo que tiene sus elementos sintacticos, sus tipos de datos, y sus estructuras como cualquier otro tipo de lenguaje. El hecho de que sirva para la descripcion hardware lo hace un poco diferente de un lenguaje convencional. Una de estas diferencias es probablemente la posibilidad de ejecutar instrucciones a la vez de forma concurrente. Algunos de estos elementos sintacticos se muestran a continuacion:

Comentarios: Cualquier linea que empieza por dos guiones "--" es un comentario.

Identificadores: Son cualquier cosa que sirve para identificar variables, señales, nombres de rutina, etc. Puede ser cualquier nombre compuesto por letras incluyendo el simbolo de subrayado "_". Las mayusculas y minusculas son consideradas iguales, asi que JOSE y jose representan el mismo elemento. No puede haber ningun identificador que coincida con alguna de las palabras clave del VHDL.

Numeros: Cualquier numero se considera que se encuentra en base 10. Se admite la notacion cientifica convencional para numeros en coma otante. Es posible colocar numeros en otras bases utilizando el simbolo del sostenido "#". Ejemplo:

2#11000100# y 16#C4# representan el entero 196.

Caracteres: Es cualquier letra o caracter entre comillas simples: 'l','3','t'.

Cadenas: Son un conjunto de caracteres englobados por comillas dobles: "Esto es una cadena".

Cadenas de bits: Los tipos bit y bit vector son en realidad de tipo caracter y matriz de caracteres respectivamente. En VHDL se tiene una forma elegante de definir numeros con estos tipos y es mediante la cadena de bits. Dependiendo de la base en que se especifique el numero se puede poner un pre jo B (binario), O (octal), o X (hexadecimal). Ejemplo: B"11101001", O"126", X"FE".

Operadores y expresiones.

Las expresiones en VHDL son practicamente iguales a como pudieran ser en otros lenguajes de programacion o descripcion, por lo que se expondran brevemente los existentes en VHDL y su utilizacion.

Operadores varios.

& (concatenacion) Concatena matrices de manera que la dimension de la matriz resultante es la suma de las dimensiones de las matrices sobre las que opera:

punto<=x&y mete en la matriz punto la matriz x en las primeras posiciones, y la matriz y en las ultimas.

Operadores aritmeticos.

** (exponencial) Sirve para elevar un numero a una potencia: 4**2 es 42. El operador de la izquierda puede ser entero o real, pero el de la derecha solo puede ser entero.

ABS() (valor absoluto) Como su propio nombre indica esta funcion devuelve el valor absoluto de su argumento que puede ser de cualquier tipo numerico.

* (multiplicacion) Sirve para multiplicar dos numeros de cualquier tipo (los tipos bit o bit vector no son numericos).

/ (division) Tambien funciona con cualquier dato de tipo numerico.

MOD (modulo) Calcula en modulo de dos numeros. Exactamente se define el modulo como la operacion que cumple: a=b*N+(a MOD b) donde N es un entero. Los operandos solo pueden ser enteros. El resultado toma el signo de b.

REM (resto) Calcula el resto de la division entera y se de ne como el operador que cumple: a=(a/b)*b+(a REM b), siendo la division entera. Los operandos solo pueden ser enteros. El resultado toma el signo de a.

+ (suma y signo positivo) Este operador sirve para indicar suma, si va entre dos operandos,
o signo, si va al principio de una expresion. La precedencia es diferente en cada caso. Opera sobre valores numericos de cualquier tipo.

- (resta y signo negativo) Cuando va entre dos operandos se realiza la operacion de sustraccion, y si va delante de una expresion le cambia el signo. Los operandos pueden ser numericos de cualquier tipo.

Operadores de desplazamiento.

SLL, SRL (desplazamiento logico a izquierda y a derecha) Desplaza un vector un numero de bits a izquierda (SLL) o derecha (SRL) rellenando con ceros los huecos libres. Se utiliza en notacion in ja de manera que la señal a la izquierda del operador es el vector que se quiere desplazar y el de la derecha es un valor que indica el numero de bits a desplazar. Por ejemplo dato SLL 2 desplaza a izquierda el vector dato, es decir, lo multiplica por 4.

SLA, SRA (desplazamiento aritmetico a izquierda y derecha)

ROL, ROR (rotacion a izquierda y a derecha) Es como el de desplazamiento pero los huecos son ocupados por los bits que van quedando fuera.

Operadores relacionales.

Devuelven siempre un valor de tipo booleano (TRUE o FALSE). Los tipos con los quepueden operar dependen de la operacion:

=, /= (igualdad) El primero devuelve TRUE si los operandos son iguales y FALSE en caso contrario. El segundo indica desigualdad, asi que funciona justo al reves.

Los operandos pueden ser de cualquier tipo con la condicion de que sean ambos
del mismo tipo.

<,<=,>,>= (menor mayor) Tienen el signi cado habitual. La diferencia con los anteriores
es que los tipos de datos que pueden manejar son siempre de tipo escalar o
matrices de una sola dimension de tipos discretos.

Operadores logicos.

Son NOT, AND, NAND, OR, NOR y XOR. El funcionamiento es el habitual para este tipo de operadores. Actuan sobre los tipos bit, bit vector y boolean. En el caso de realizarse estas operaciones sobre un vector, la operacion se realiza bit a bit, incluyendo la operacion NOT.
Precedencia de operadores y sobrecarga

La precedencia de operadores se presenta en la siguiente tabla:
** ABS NOT Maxima precedencia
* / MOD REM
+(signo) -(signo)
+ - &
= /= < <= > >=
AND OR NAND NOR XOR Minima precedencia

Se ha visto que, por ejemplo, los operadores logicos solo operaban sobre unos tipos de datos determinados. Existe en VHDL la posibilidad de sobrecargar operadores y funciones, como se vera mas adelante, de manera que es posible extender la aplicacion de estos operadores para que trabajen con otros tipos aparte de los prede nidos. Asi, se podran redefinir los operadores logicos para que pudieran trabajar sobre enteros.

Tipos de datos.

Como en cualquier lenguaje, VHDL tiene dos grupos de tipos de datos. Por un lado estan los escalares, con los que se pueden formar el otro grupo que son los compuestos.

Tipos escalares

Son tipos simples que contienen algun tipo de magnitud. Veamos a continuacion los tipos escalares presentes en VHDL:

Enteros: Son datos cuyo contenido es un valor numerico entero. La forma es que se definen estos datos es mediante la palabra clave RANGE, es decir, no se dice que un dato es de tipo entero, sino que se dice que un dato esta comprendido en cierto intervalo especi cando los limites del intervalo con valores enteros.

Ejemplos:

TYPE byte IS RANGE 0 TO 255;
TYPE index IS RANGE 7 DOWNTO 1;
TYPE integer IS -2147483647 TO 2147483647; -- Predefinido en el lenguaje

Este ultimo tipo viene ya prede nido en el lenguaje aunque no es muy conveniente su utilizacion, especialmente pensando en la posterior sintesis del circuito.

Fisicos: Como su propio nombre indica se trata de datos que se corresponden con
magnitudes fisicas, es decir, tienen un valor y unas unidades.

Ejemplo:

TYPE longitud IS RANGE 0 TO 1.0e9
UNITS
um;
mm=1000 um;
m=1000 mm;
in=25.4 mm;
END UNITS;

Hay un tipo fisico prede nido en VHDL que es time. Este tipo se utiliza para indicar retrasos y tiene todos los submuultiplos, desde fs (femtosegundos), hasta hr (horas). Cualquier dato fisico se escribe siempre con su valor seguido de la unidad: 10 mm, 1 in, 23 ns.

Reales: Conocidos tambien como coma otante, son los tipos que de nen un numero real. Al igual que los enteros se de nen mediante la palabra clave RANGE, con la diferencia de que los limites son numeros reales.

Ejemplos:

TYPE nivel IS RANGE 0.0 TO 5.0;
TYPE real IS RANGE -1e38 TO 1e38; -- Predefinido en el lenguaje

Enumerados: Son datos que pueden tomar cualquier valor especi cado en un conjunto finito o lista. Este conjunto se indica mediante una lista encerrada entre parentesis de elementos separados por comas.

Ejemplos:

TYPE nivel_logico IS (nose,alto,bajo,Z);
TYPE bit IS ('0','1'); -- Predefinido en el lenguaje

Hay varios tipos enumerados que se encuentran predefinidos en VHDL. Estos tipos son: severity level, boolean, bit y character.

Tipos de datos compuestos.

Son tipos de datos que estan compuestos por los tipos de datos escalares vistos anteriormente.

Matrices: Son una coleccion de elementos del mismo tipo a los que se accede mediante un indice. Su significado y uso no difiere mucho de la misma estructura presente en casi todos los lenguajes de programacion. Los hay monodimensionales (un indice) o multidimensionales (varios indices). A diferencia de otros lenguajes, las matrices en VHDL pueden estar enmarcadas en un rango, o el indice puede ser libre teniendo la matriz una dimension teorica infinita.

Ejemplos:

TYPE word IS ARRAY(31 DOWNTO 0) OF bit;
TYPE transformada IS ARRAY(1 TO 4, 1 TO 4) OF real;
TYPE positivo IS ARRAY(byte RANGE 0 TO 127) OF integer;
TYPE string IS ARRAY(positive RANGE <>) OF character; -- Predefinido en VHDL
TYPE bit_vector IS ARRAY(natural RANGE <>) OF bit; -- Predefinido en VHDL
TYPE vector IS ARRAY(integer RANGE <>) OF real;

Este ultimo ejemplo, y los dos anteriores, muestran una matriz cuyo indice no tiene rango sino que sirve cualquier entero. Mas tarde, en la declaracion del dato, se podra poner los limites de la matriz: SIGNAL cosa: vector(1 TO 20);

Los elementos de una matriz se acceden mediante el indice. Asi dato(3) es el elemento 3 del dato. De la misma manera se puede acceder a un rango:

datobyte<=datoword(2 TO 9). Tambien pueden utilizar en las asignaciones lo que se conoce como agregados o conjuntos (aggregate) que no es mas que una lista separada por comas de manera que al primer elemento de la matriz se le asigna el primer elemento de la lista, y asi sucesivamente. Veamos algunos ejemplos:

semaforo<=(apagado,encendido,apagado); dato<=(datohigh,datolow); bus<=(OTHERS=>'Z');

Quiza el que se entiende menos es el ultimo donde se ha empleado la palabra OTHERS para poner todos los bits del bus a 'Z', de esta forma ponemos un ventor a un valor sin necesidad de saber cuantos bits tiene la señal.

Registros: Es equivalente al tipo registro o record de otros lenguajes.

Ejemplo:
TYPE trabajador IS
RECORD
nombre: string;
edad: integer;
END RECORD;

Para referirse a un elemento dentro del registro se utiliza la misma nomenclatura que en Pascal, es decir, se usa un punto entre el nombre del registro y el nombre del campo: persona.nombre="Jose"

Declaracion de constantes, variables y señales.

Un elemento en VHDL contiene un valor de un tipo especificado. Hay tres tipos de elementos en VHDL, estan las variables, las señales y las constantes. Las variables y constantes son una cosa muy parecida a las variables y constantes que se encuentran en cualquier lenguaje. Las señales, en cambio, son elementos cuyo significado es bastante diferente y es consecuencia directa de que aunque VHDL es un lenguaje muy parecido a los convencionales, no deja en ningun momento de ser un lenguaje de descripcion hardware, por lo que cabe esperar algunas diferencias.

Constantes.

Una constante es un elemento que se inicializa a un determinado valor y no puede ser cambiado una vez inicializado, conservando para siempre su valor. Ejemplos:

CONSTANT e: real := 2.71828;
CONSTANT retraso: time := 10 ns;
CONSTANT max_size: natural;

En la ultima sentencia, la constante max size no tiene ningun valor asociado. Esto se permite siempre y cuando el valor sea declarado en algun otro sitio. Esto se hace asi para las declaraciones en packages que se veran mas adelante.

Variables.

Una variable es lo mismo que una constante con la diferencia de que su valor puede ser alterado en cualquier instante. A las variables tambien se les puede asignar un valor inicial.

VARIABLE contador: natural := 0;
VARIABLE aux: bit_vector(31 DOWNTO 0);

Es posible, dado un elemento previamente definido, cambiarle el nombre o ponerlenombre a una parte. Esto se realiza mediante la instruccion ALIAS que resulta muchas veces muy util.

Ejemplo:

VARIABLE instruccion: bit_vector(31 DOWNTO 0);
ALIAS codigo_op: bitvector(7 DOWNTO 0) IS instruccion(31 DOWNTO 24);

Señaales.

Las señales se declaran igual que las constantes y variables con la diferencia de que las señales pueden ademas ser de varios tipos que son normal, register y bus. Por defecto son de tipo normal. Al igual que en variables y constantes, a las señales se les puede dar un valor inicial si se quiere. Ejemplos:

SIGNAL selec: bit := '0';
SIGNAL datos: bit_vector(7 DOWNTO 0) BUS := B"00000000";

Constantes, se~nales y variables

Constantes, señales y variables son cosas diferentes. Las variables, por ejemplo, solo tienen sentido dentro de un proceso (PROCESS) o un subprograma, es decir, solo tienen sentido en entornos de programacion donde las sentencias son ejecutadas en serie, por tanto las variables solo se declaran en los procesos o subprogramas. Las señales pueden ser declaradas unicamente en las arquitecturas, paquetes (PACKAGE), o en los bloques concurrentes (BLOCK). Las constantes pueden ser habitualmente declaradas en los mismos sitios que las variables y señales.
Mientras que las variables son elementos abstractos con poco signi cado fisico, las señales tienen un significado fisico inmediato y es el de representar conexiones reales en el circuito. La señales pueden ser usadas en cualquier parte del programa o descripcion y son declaradas siempre en la parte de arquitectura antes del BEGIN. Esto indica que las señales son visibles por todos los procesos y bloques dentro de una arquitectura, por lo que en realidad representan interconexiones entre bloques dentro de la arquitectura. Desde un punto de vista software, las señales representan el mecanismo que va a permitir ejecutar en paralelo las instrucciones concurrentes, es decir, VHDL implementa el mecanismo de sincronizacion de procesos por monitorizacion para la ejecucion paralela de instrucciones.

En un diseño, las conexiones fisicas entre unos elementos y otros son habitualmente declaradas como señales. Las entradas y salidas, de nidas en la entidad, son, por lo tanto, consideradas señales. Aunque estas entradas y salidas son en realidad señales, hay algunas diferencias; por ejemplo las salidas no se pueden leer, es decir, no pueden formar parte del argumento de una asignacion. De la misma manera, a una entrada no se le puede asignar un valor en la descripcion.
La diferencia principal entre variables y señales es que una asignacion a una variable se realiza de forma inmediata, es decir, la variable toma el valor que se le asigna en el mismo momento de la asignacion. La señal, en cambio, no recibe el valor que se le esta asignando hasta el siguiente paso de simulacion, es decir, cuando el proceso se acaba al encontrar una sentencia WAIT dentro de un proceso sino tiene sentencias de espera. Esta forma extraña en que se les asignan valores a las señales se entendera mejor cuando se explique el signi cado de los procesos, la ejecucion
concurrente y secuencial, y los pasos de simulacion.

Diferencias entre variable y señal.

Una de las cosas que mas chocan al programador experimentado con otros lenguajes, y que se enfrenta por primera vez a algun lenguaje de descripcion hardware, y mas concretamente al VHDL, es la diferencia entre señal y variable.

Hasta ahora, en la ejecucion concurrente, las variables no existan y solo se disponia de las señales. En la ejecucion concurrente no hay mucha diferencia entre lo que es una señal y lo que es una variable normal y corriente en cualquier otro lenguaje. Aparentemente, cuando en la ejecucion concurrente una se~nal recibe un valor, la señal toma inmediatamente este valor. Cuando se explique mas adelante el VHDL para simulacion, se vera que este inmediatamente es en realidad un paso de simulacion, que si no se especifica ningun retraso, implicara que la señal toma ese valor en el momento de la asignacion.

En realidad, lo que ocurre en la asignacion de una señal es que en el momento actual, o en el paso de simulacion actual indicamos que se quiere que, en el proximo paso de simulacion (o mas tarde si se especi ca un retraso), la señal adquiera el valor que se le esta asignando en este momento. En una asignacion concurrente esto equivale a que la asignacion se realice de forma instantanea, pero eso es debido a que cuando se acaba de ejecutar una instruccion concurrente, se pasa inmediatamente al siguiente paso de simulacion.

Un bloque de tipo PROCESS es equivalente a una unica instruccion concurrente formada por numerosas instrucciones en serie. Como se trata de una unica instruccion concurrente, todas las instrucciones serie internas ocurren en el mismo paso de simulacion, y no se pasa al siguiente paso de simulacion hasta que se haya completado la ejecucion del PROCESS. Esto quiere decir que dentro de un bloque PROCESS, las señales conservan su valor y no cambian hasta que el bloque termina de ejecutarse, momento en el cual, ya tienen el valor que se les haya asignado durante la ejecucion del proceso debido a que se encontrara en el siguiente paso de simulacion.

Para verlo un poco mas claro se puede decir que una señal es como una caja con dos secciones. Una, que es la seccion que se suele ver, y que es la que contiene el valor actual, y otra, separada, que contiene el valor futuro. Cuando leemos una señal estamos echando mano de la seccion donde se guarda el valor actual. Cuando se le asigna algo a una señal estamos escribiendo en la seccion dedicada al valor futuro. Solo cuando se acaba la ejecucion de la instruccion concurrente, lo que se encuentra en la seccion de valor futuro pasa a la seccion de valor actual.

De ahora en adelante, a la seccion del valor futuro, donde se escriben siempre los valores, lo llamaremos driver de la señal, y a la seccion de valor actual lo llamaremos simplemente señal. En realidad, y se vera mejor en el apartado de simulacion, hay un unico valor actual, sin embargo, pueden haber varios valores futuros ya que se puede hacer una lista de los valores que tomara la señal en el futuro. Esto, que ahora no tiene mucho sentido puesto que las señales toman su valor inmediatamente en la ejecucion concurrente, sera muy util cuando se expliquen los retrasos en la simulacion.

- Entidad: Es la declaración de entradas /salidas de un módulo. De acuerdo al IEEE Std 1076-2002, una entidad “es la abstracción principal de hardware en VHDL. Esta representa una parte de un diseño de hardware que tiene entradas y salidas bien definidas y realiza una función bien definida. Una entidad de diseño puede representar un sistema entero, un sub-sistema, una tarjeta, un chip, una macro-celda, una compuerta lógica o cualquier nivel de abstracción intermedio”.

La declaración de una entidad define la interfaz entre esta y el ambiente en el cual se utiliza. En este sentido, la entidad es una especie de bloque o caja negra que define como se “ve” el componente desde el exterior. La entidad define una serie de puertos que sus terminales visibles, quedando su estructura funcional oculta dentro de una o más arquitecturas.

Declaración de una entidad:

entity Nombre_de_la_entidad is
port ( Nombre_Señal : modo tipo;
Nombre_Señal : modo tipo;
Nombre_Señal : modo tipo);
end Nombre_de_la_entidad;

Los posibles modos de la señal son: in, out , buffer, inout.

- Arquitectura: Es la descripción detallada del comportamiento o estructura interna de un módulo (entidad). En el estándar IEEE 1076-2002, se define “Una arquitectura define el cuerpo de una entidad. Esta especifica las relaciones entre las entradas y las salidas de una entidad, pudiendo ser expresada en términos de estructura, flujo de datos o comportamiento”. La descripción estructural muestra a la entidad y sus componentes internos junto con las conexiones entre estos, siendo bastante similar al proceso de diseño basado en esquemáticos y componentes MSI (Micro-Star International) o SSI discretos. Cuando se utiliza una descripción de comportamiento (funcional), se especifica el algoritmo que describe la operación del circuito en forma bastante similar a un programa. En este caso, existen diferentes procesos que se activan según el estado de las entradas del diseño y en su interior contienen las acciones a ejecutar según sea el requerimiento del circuito. Por su parte, la descripción por medio de flujo de datos, establece una relación directa entre las señales de entrada y las salidas.

La arquitectura de una entidad de mayor nivel, puede hacer uso de entidades de nivel más bajo dentro de la estructura jerárquica, la implementación de cada entidad puede obedecer a cualquiera de las descripciones mencionadas anteriormente, permitiendo que en mismo diseño coexistan diferentes tipos de implementaciones operando en conjunto. De esta manera, los diseños extensos pueden ser fraccionados en varias entidades que residen en diferentes archivos, cada entidad puede ser verificada, simulada y depurada de forma independiente.

Definición de la arquitectura.

Architecture Nombre_de_la_Arquitectura of Nombre_de_la_entidad is
Declaraciones de: Tipos, señales, constantes, funciones, procedimientos, componentes
begin
Sentencias concurrentes
end Nombre_de_la_Arquitectura

Instrucción de proceso:
process (lista sensitiva)
begin
Instrucciones;
end process;

Figura #2. Interfaz lógica - Entrada y salida


- Puertos: Los puertos son los puntos de conexión entre una entidad y el medio exterior. Se caracterizan por tener una representación física relacionada con un terminal de entrada/salida y requerir de una definición de sentido ya sea como entrada, salida o bidireccional.

Figura 3. Interfaz Física - Entrada y salida

- Señales: Son similares a una declaración de puerto pero sin ningún modo, pueden leerse, escribirse o hacer referencia a ellas sólo dentro de la arquitectura ya que son locales. Son la analogía de los cables de interconexión o señales eléctricas que serán usadas dentro del circuito. En la librería IEEE 1164, se encuentran definidos varios tipos de señales que representan de forma bastante adecuada el comportamiento real de una señal digital en hardware.

Se declaran antes del BEGIN de la arquitectura y se puede usar en cualquier lugar de ella. Si va en un proceso su valor se actualiza al salir de el. La asignación usa el símbolo <=.

- Variables: Se utilizan en las funciones, procedimientos y procesos, no tienen significado físico pero son elementos de gran utilidad al momento de efectuar la programación.

Se declaran y utilizan en un proceso y actualiza inmediatamente su valor asignado. La asignación usa el símbolo :=

- División del diseño principal en módulos separado. La modularidad es uno de los conceptos principales de todo diseño. Normalmente se diferencia entre dos metodologías de diseño: top-down y botton-up.

La metodología top-down consiste en que un diseño complejo se divide en diseños más sencillos que se puedan diseñar (o describir) más fácilmente.

La metodología botton-up consiste en construir un diseño complejo a partir de módulos, ya diseñados, más simples. En la práctica, un diseño usa generalmente ambas metodologías.

- Simulación funcional, es decir, comprobaremos que lo escrito en el punto anterior realmente funciona como queremos, si no lo hace tendremos que modificarlo. En este tipo de simulación se comprueba que el código VHDL o Verilog (u otro tipo de lenguaje HDL) ejecuta correctamente lo que se pretende.

- Síntesis. En este paso se adapta el diseño anterior (que sabemos que funciona) a un hardware en concreto, ya sea una FPGA (Field Programmable Gate Array) o un ASIC (Application-specific integrated circuit). Hay sentencias del lenguaje que no son sintetizables, como por ejemplo divisiones o exponenciaciones con números no constantes. El hecho de que no todas las expresiones en VHDL no sean sintetizables es que el VHDL es un lenguaje genérico para modelado de sistemas (no sólo para diseño de circuitos digitales), por lo que hay expresiones que no pueden ser transformadas a circuitos digitales. Durante la síntesis se tiene en cuenta la estructura interna del dispositivo, y se definen restricciones, como la asignación de pins. El sintetizador optimiza las expresiones lógicas con objeto de que ocupen menor área, o bien son eliminados las expresiones lógicas que no son usadas por el circuito.

- Simulación post-síntesis. En este tipo de simulación se comprueba que el sintetizador ha realizado correctamente la síntesis del circuito, al transformar el código HDL en bloques lógicos conectados entre sí. Este paso es necesario ya que, a veces, los sintetizadores producen resultados de síntesis incorrectos, o bien realiza simplificaciones del circuito al optimizarlo.

- Placement y routing. El proceso de placement consiste en situar los bloques digitales obtenidos en la síntesis de forma óptima, de forma que aquellos bloques que se encuentran muy interconectados entre si se sitúen próximamente. El proceso de routing consiste en rutar adecuadamente los bloques entre si, intentando minimizar retardos de propagación para maximizar la frecuencia máxima de funcionamiento del dispositivo.

- Back-annotation. Una vez que ha sido completado el placement & routing, se extraen los retardos de los bloques y sus interconexiones, con objeto de poder realizar una simulación temporal (también llamada simulación post-layout). Estos retardos son anotados en un fichero SDF (Standart Delay Format) que asocia a cada bloque o interconexción un retardo mínimo/típico/máximo.

- Simulación temporal. A pesar de la simulación anterior puede que el diseño no funcione cuando se programa, una de las causas puede ser por los retardos internos del chip. Con esta simulación se puede comprobar, y si hay errores se tiene que volver a uno de los anteriores pasos.

- Programación en el dispositivo. Se implementa el diseño en el dispositivo final y se comprueba el resultado.

Algunos tips a la hora de trabajar con el lenguaje VHDL.

Evitar las cláusulas temporales. Normalmente los simuladores prohíben expresamente el uso de asignaciones con retraso en las señales, en otras simplemente los ignoran, pero lo que está claro es que el sintetizador intentará implementar el circuito funcionalmente, por lo que estos retrasos no tienen sentido para el sintetizador. Aparte de esto, no se permiten las asignaciones múltiples, en una única sentencia, a una señal por la misma razón.

Identificar cada puerta con claridad. Las puertas lógicas y otros elementos tienen generalmente una estructura clara e incluso se pueden utilizar comandos directos que realizan estas funciones. Evitar las sentencias de espera. En algunos sintetizadores quizá sea posible utilizar sentencias de espera WAIT dentro de los procesos, pero no es nada aconsejable puesto que la herramienta puede tener dificultades en interpretar estas sentencias. Es aconsejable en cambio el uso de listas sensibles, y en muchos sintetizadores es casi la única posibilidad. El uso del WAIT está bastante restringido, así, si se usa, algunas herramientas exigen que sea la primera instrucción del PROCESS, y sólo se permite una condición. Cuidado con las listas sensibles. La mayoría de sintetizadores admiten la lista sensible o una sentencia WAIT al principio, pero no siempre la interpretan como lo hará un simulador ya que en determinadas ocasiones el proceso se ejecutará cuando cambia una señal que se encuentra en el proceso pero no en la lista sensible o en el WAIT.

Permitir discrepancia. Normalmente es fácil sintetizar algo simple como s<=NOT s ya que no es más que una puerta inversora conectada sobre si misma que puede servir muy bien para generar una señal de reloj con periodo el doble que el retraso que la puerta presente. Si se intenta simular algo como la instrucción anterior, se comprobará que la simulación se queda colgada en esa instrucción puesto que no hay retrasos y se llama a sí misma una y otra vez. Por lo tanto, en estos casos, aunque la simulación es incorrecta, la síntesis lo es.

Señales de reloj. Normalmente sólo se permite una señal de reloj por proceso, y además debe especificarse claramente el flanco de subida del reloj mediante la condición clk='1' AND clk'EVENT. En general sólo puede ponerse esta condición una vez por proceso y en ningún caso se puede poner ELSE en el IF en el que se usó a condición

Asignaciones únicas. Aunque en simulación es bastante corriente que a una señal se le asignen varios valores a lo largo de un mismo proceso, en síntesis esto resulta difícil de interpretar y no debe usarse (normalmente no se permite).

Evitar IFs anidados. Normalmente las herramientas tienden a no sintetizar de manera óptima varios condicionales anidados entre sí. Los condicionales es mejor utilizarlos a solas.

Utilizar CASE mejor que varios IFs Las estructuras CASE tienen para los sintetizadores un modelo optimizado de síntesis, generalmente mejor que lo mismo descrito mediante IFs.

Utilizar el estilo indicado para las máquinas de estado Muchos de los problemas digitales se pueden resolver de forma sencilla mediante una máquina de estados. En VHDL hay muchos estilos diferentes para poder describir máquinas de estados, entonces a veces ocurre que el sintetizador no se da cuenta de que lo que tiene delante es una máquina de estados y no optimiza bien el circuito resultante. En los manuales de los sintetizadores suelen venir ejemplos de lo que la herramienta entenderá que es una máquina de estados, entonces es mejor utilizar ese estilo aunque no nos resulte cómodo, el resultado final será bastante más óptimo.

Especificar la arquitectura. Es posible que se creen varias descripciones para un mismo circuito. Normalmente el sintetizador cogerá la primera que le parezca, por lo que conviene especificar cuál de todas las arquitecturas se desea sintetizar mediante un bloque de configuración CONFIGURATION.