Giáo trình Kỹ thuật PLD và ASIC - Chương 2: Ngôn ngữ lập trình VGDL - Nguyễn Đình Phú

83 trang hoanguyen 5260

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật PLD và ASIC - Chương 2: Ngôn ngữ lập trình VGDL - Nguyễn Đình Phú", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_pld_va_asic_chuong_2_ngon_ngu_lap_trinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật PLD và ASIC - Chương 2: Ngôn ngữ lập trình VGDL - Nguyễn Đình Phú

Ngơn ngữ lập trình VHDL
Chương 2 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VHDL SỰ RA ĐỜI NGÔN NGỮ VHDL CÁC THUẬT NGỮ CỦA VHDL MÔ TẢ PHẦN CỨNG TRONG VHDL ENTITY (THỰC THỂ ) ARCHITECTURE Gán Các Tín Hiệu Đồng Thời Thời gian trể Đồng bộ lệnh CÁC THIẾT KẾ CÓ CẤU TRÚC HOẠT ĐỘNG TUẦN TỰ Các phát biểu quá trình Vùng khai báo quá trình Thành phần phát biểu quá trình Thực hiện quá trình Các phát biểu tuần tự LỰA CHỌN KIẾN TRÚC CÁC CÂU LỆNH CẤU HÌNH TÓM TẮT GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HÀNH VI DELAY QUÁN TÍNH VÀ DELAY TRUYỀN Delay quán tính Delay truyền tín hiệu Mô hình Delay quán tính Mô hình Delay truyền MÔ PHỎNG DELTA DRIVER Tạo driver Mô hình nhiều driver xấu GENERIC CÁC PHÁT BIỂU KHỐI TÓM TẮT Kỹ thuật PLD và ASIC 51
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú XỬ LÝ TUẦN TỰ PHÁT BIỂU Danh sách nhạy Ví dụ về quá trình GÁN BIẾN KHÁC VỚI GÁN TÍN HIỆU Ví dụ mô hình mạch đa hợp không đúng Ví dụ mô hình mạch đa hợp đúng CÁC PHÁT BIỂU TUẦN TỰ PHÁT BIỂU IF PHÁT BIỂU CASE PHÁT BIỂU LOOP Phát biểu vòng lặp LOOP cơ bản Phát biểu vòng lặp While – LOOP Phát biểu vòng lặp FOR – LOOP Phát biểu Next và Exit PHÁT BIỂU ASSERT PHÁT BIỂU WAIT CÁC KIỂU ĐỐI TƯỢNG TRONG VHDL KHAI BÁO TÍN HIỆU KHAI BÁO BIẾN KHAI BÁO HẰNG SỐ CÁC KIỂU DỮ LIỆU TRONG VHDL LOẠI SCALAR Kiểu số nguyên INTEGER Kiểu dữ liệu đã định nghĩa Kiểu dữ liệu do người dùng định nghĩa Kiểu dữ liệu SUBTYPE Kiểu dữ liệu mảng ARRAY Kiểu dữ liệu mảng port Kiểu dữ liệu bảng ghi record Kiểu dữ liệu SIGNED và UNSIGNED Kiểu số thực REAL Kiểu liệt kê KIỂU VẬT LÝ CÁC THUỘC TÍNH Thuộc tính tín hiệu Thuộc tính dữ liệu scalar Thuộc tính mảng CÁC TOÁN TỬ CƠ BẢN TRONG VHDL CÁC TOÁN TỬ LOGIC CÁC TOÁN TỬ QUAN HỆ CÁC TOÁN TỬ SỐ HỌC CÁC TOÁN TỬ CÓ DẤU CÁC TOÁN NHÂN CHIA 52 Kỹ thuật PLD và ASIC
CÁC TOÁN TỬ DỊCH CÁC TOÁN TỬ HỖN HỢP CHƯƠNG TRÌNH CON VÀ GÓI CHƯƠNG TRÌNH CON Hàm Hàm chuyển đổi Hàm phân tích Thủ tục GÓI Khai báo gói Khai báo chương trình con CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình và bảng Hình 2-1. Cổng A có 2 ngõ vào. Hình 2-2. Kí hiệu của mux có 4 ngõ vào. Hình 2-3. Bảng trạng thái của mux có 4 ngõ vào. Hình 2-4. Dạng sóng có delay quán tính của bộ đệm. Hình 2-5. Dạng sóng có delay truyền của bộ đệm. Hình 2-6. So sánh 2 cơ cấu đánh giá. Hình 2-7. So sánh 2 cơ cấu đánh giá. Hình 2-8. Cơ cấu đánh giá delay delta. Hình 2-9. Kí hiệu mạch đa hợp và bảng trạng thái. Hình 2-10. Giản đồ các loại dữ liệu trong VHDL. Hình 2-11. Các kiểu mảng dữ liệu. Bảng 2-1. Thuộc tính tín hiệu. Bảng 2-2. Thuộc tính dữ liệu scalar. Bảng 2-3. Thuộc tính mảng. Bảng 2-4. Tất cả các toán tử. Bảng 2-5. Các toán tử quan hệ. Bảng 2-6. Các toán tử số học. Bảng 2-7. Các toán tử có dấu. Bảng 2-8. Các toán tử nhân chia. Bảng 2-9. Các toán tử dịch. Bảng 2-10. Các toán tử hỗn hợp. 54 Kỹ thuật PLD và ASIC
I. SỰ RA ĐỜI NGÔN NGỮ VHDL VHDL (Very high speed integrated circuit Hardware Description Language) là một trong các ngôn ngữ mô tả phần cứng được sử dụng rộng rãi hiện nay. VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng cho các vi mạch tích hợp có tốc độ cao, được phát triển dùng cho chương trình VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ. Mục đích của việc nghiên cứu và phát triển là tạo ra một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng chuẩn và thống nhất, cho phép thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn, hiệu quả hơn, và nhanh chóng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng. Tháng 7 năm 1983, ba công ty Internetic, IBM, Texas Instruments bắt đầu nghiên cứu. Sau một thời gian, phiên bản đầu tiên của ngôn ngữ VHDL được công bố vào tháng 8 năm 1985. Vào năm 1986, VHDL được công nhận như một chuẩn IEEE. VHDL đã qua nhiều lần kiểm nghiệm và chỉnh sửa cho đến khi được công nhận như một chuẩn IEEE 1076 vào tháng 12 năm 1987. VHDL được nghiên cứu phát triển nhằm giải quyết tốc độ phát triển, các thay đổi và xây dựng các hệ thống điện tử số. Với một ngôn ngữ phần cứng tốt thì việc xây dựng các hệ thống điện tử số có tính linh hoạt, phức tạp trở nên dễ dàng hơn. Việc mô tả hệ thống số bằng ngôn ngữ cho phép xem xét, kiểm tra toàn bộ hoạt động của hệ thống trong một mô hình thống nhất. II. CÁC THUẬT NGỮ CỦA VHDL Cấu trúc của một chương trình VHDL như sau: Company: Engineer: Create Date: 07:52:37 09/26/2007 Design Name: Module Name: mux - Behavioral Project Name: Target Devices: Comment Tool versions: Description: Dependencies: Revision: Revision 0.01 - File Created Additional Comments: package typedef IS package SUBTYPE byte IS bit_vector (7 downto 0); END ; Use clause USE work.typedef.all Kỹ thuật PLD và ASIC 51
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú ENTITY data_path IS PORT (clk, rst, s_1: IN BOOLEAN; s0, s1: IN BIT; Entity d0, d1, d2, d3: IN BYTE; q: OUT BYTE); END data_path; ARCHITECTURE behavior OF data_path IS SIGNAL reg, shft: BYTE; SIGNAL sel: BIT_VECTOR (1 DOWNTO 0): BEGIN PROCESS (CLK, RST) BEGIN IF rst THEN async reset Reg reg reg reg reg <= d3; Statement END CASE; IF s_1 THEN shft <= shft (6 downto 0) & shft(7); ELSE clk and clk‟event THEN shft <= reg; END IF; END PROCESS; q <= shft; END behavior; Để tìm hiểu chương trình thì chúng ta cần định nghĩa một số thuật ngữ được sử dụng trong ngôn ngữ VHDL. Entity (thực thể) tất cả các thiết kế đều được biểu diễn ở dạng các thuật ngữ thực thể (entity). Một thực thể là một khối xây dựng cơ bản nhất trong thiết kế. Mức cao nhất của thực thể là mức đỉnh. Nếu thiết kế có thứ bậc thì mô tả ở mức cao nhất sẽ chứa các mô tả ở mức thấp hơn nằm bên trong. Những mô tả ở mức thấp hơn này sẽ chứa các thực thể ở mức thấp hơn nữa. Trong VHDL thì thực thể dùng để khai báo các cổng input_output của các thành phần và tên của nó. Architecture (kiến trúc) tất cả các thực thể có thể được mô phỏng đều có một mô tả kiến trúc. Kiến trúc mô tả hành vi của thực thể. Một thực thể đơn có thể có nhiều kiến trúc. Một kiến trúc có thể mô tả hành vi (behavioral description) trong khi đó một kiến trúc khác có thể mô tả cấu trúc (structural description). Configuration (cấu hình) phát biểu cấu hình được sử dụng để ràng buộc một thể hiện (instance) thành phần với một cặp ‚thực thể - kiến trúc‛. Một cấu hình có thể được khảo sát giống như một danh sách các thành phần của một thiết kế. Danh sách các thành phần mô tả hành vi để sử dụng cho mỗi thực thể, giống như danh sách liệt kê các phần mô tả sử dụng cho mỗi thành phần trong thiết kế. 52 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Package (gói) một gói là một tập hợp các loại dữ liệu được dùng phổ biến và các chương trình con (subprogram) được sử dụng trong thiết kế. Xem package như là một hộp công cụ chứa nhiều công cụ được dùng để xây dựng các thiết kế. Driver (nguồn kích) là nguồn kích của một tín hiệu. Nếu một tín hiệu được kích bởi hai nguồn, thì cả hai nguồn đều ở mức tích cực, khi đó ta xem tín hiệu có 2 driver. Bus (nhóm tín hiệu) thuật ngữ ‚bus‛ xem một nhóm các tín hiệu hoặc một phương pháp truyền thông đặc biệt được sử dụng trong thiết kế phần cứng. Trong VHDL, bus là loại tín hiệu đặc biệt có nhiều nguồn kích ở trạng thái tắt. Attribute (thuộc tính) là dữ liệu được gắn cho các đối tượng VHDL hoặc dữ liệu đã định nghĩa trước liên quan đến các đối tượng VHDL. Ví dụ là khả năng kích dòng của một mạch đệm hoặc nhiệt độ hoạt động cực đại của linh kiện. Generic là thuật ngữ của VHDL dùng cho một thông số, thông số này chuyển thông tin đến một thực thể. Thí dụ, nếu một thực thể là một mô hình cổng có trì hoãn cạnh lên và trì hoãn cạnh xuống, các giá trị của các trì hoãn lên và xuống có thể được chuyển vào trong thực thể bằng các dùng generic. Process (quá trình) là một đơn vị thực thi cơ bản trong VHDL. Tất cả các hoạt động – được thực hiện trong mô tả VHDL – thì được chia ra thành một hoặc nhiều quá trình xử lý. III. MÔ TẢ PHẦN CỨNG TRONG VHDL Các mô tả VHDL chứa nhiều đơn vị thiết kế sơ cấp và nhiều đơn vị thiết kế thứ cấp. Đơn vị thiết kế sơ cấp là thực thể (Entity) và gói (Package). Đơn vị thiết kế thứ cấp là cấu hình (Configuration) và thân gói (Package Body). Các đơn vị thiết kế thứ cấp thì luôn có mối liên hệ với đơn vị thiết kế sơ cấp. Các thư viện chứa nhiều các đơn vị thiết kế sơ cấp và thứ cấp. 1. ENTITY (THỰC THỂ ) Entity dùng để khai báo tên của thực thể, các port của thực thể và các thông tin liên quan đến thực thể. Tất cả các thiết kế được xây dựng dùng một hoặc nhiều thực thể. Ví dụ 2_1: Khai báo đơn giản về thực thể: ENTITY mux IS PORT (a, b, c, d: IN BIT; s0, s1: IN BIT; x: OUT BIT); END mux; Từ khoá ENTITY báo cho biết bắt đầu một phát biểu thực thể. Trong các mô tả được trình bày trong toàn bộ tài liệu, các từ khoá của ngôn ngữ và các loại dữ liệu được cung cấp cho gói chuẩn (STANDARD) thì được trình bày ở dạng chữ hoa. Ví dụ: trong ví dụ đã trình bày thì các từ khoá là ENTITY, IS, PORT, IN, INOUT, Loại dữ liệu chuẩn là BIT. Tên của các đối tượng do người dùng định nghĩa ví dụ như mux trong ví dụ trên là ở dạng chữ thường. Kỹ thuật PLD và ASIC 53
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Tên của thực thể là mux. Thực thể có 7 port trong câu lệnh khai báo PORT – 6 port cho kiểu IN và 1 port cho kiểu OUT. 4 port dữ liệu ngõ vào (a, b, c, d) là dạng BIT. Hai ngõ vào lựa chọn mạch đa hợp (s0, s1) cũng thuộc kiểu dữ liệu BIT. Ngõ ra cũng là BIT. Thực thể mô tả giao tiếp với thế giới bên ngoài. Thực thể chỉ định rõ bao nhiêu port, hướng tín hiệu của port và loại dữ liệu của port. 2. ARCHITECTURE (KIẾN TRÚC) Kiến trúc mô tả chức năng cơ bản của thực thể và chứa nhiều phát biểu mô tả hành vi của thực thể. Kiến trúc luôn luôn có liên quan đến thực thể và các mô tả hành vi của thực thể. Một kiến trúc của bộ đa hợp ở trên có dạng như sau: ARCHITECTURE dataflow OF mux IS SIGNAL select: INTEGER; BEGIN Select <= 0 WHEN s0 = „0‟ AND s1= „0‟ ELSE 1 WHEN s0 = „1‟ AND s1= „0‟ ELSE 2 WHEN s0 = „0‟ AND s1= „1‟ ELSE 3; x <= a AFTER 0.5 NS WHEN select = 0 ELSE b AFTER 0.5 NS WHEN select = 1 ELSE c AFTER 0.5 NS WHEN select = 2 ELSE d AFTER 0.5 NS ; END dataflow; Từ khoá ARCHITECTURE cho biết phát biểu này mô tả kiến trúc cho một thực thể. Tên của kiến trúc là dataflow. Kiến trúc của thực thể đang mô tả là mux. Lý do cho kết nối giữa thực thể và kiến trúc là một thực thể có thể có nhiều kiến trúc mô tả hành vi của thực thể. Ví dụ một kiến trúc có thể là một mô tả hành vi và một kiến trúc khác có thể là mô tả cấu trúc. Vùng ký tự nằm giữa từ khoá ARCHITECURE và từ khoá BEGIN là nơi khai báo các phần tử và các tín hiệu logic cục bộ để sau này dùng. Trong ví dụ trên biến tín hiệu select được khai báo là tín hiệu cục bộ. Vùng chứa các phát biểu của kiến trúc bắt đầu với từ khoá BEGIN. Tất cả các phát biểu nằm giữa các câu lệnh BEGIN và END được gọi là các phát biểu đồng thời bởi vì tất cả các phát biểu được thực hiện cùng một lúc. a. Gán Các Tín Hiệu Đồng Thời Trong ngôn ngữ lập trình thông thường như C hoặc C++ thì mỗi phát biểu gán thực hiện một lần sau một phát biểu gán khác và theo một thứ tự được chỉ định. Thứ tự thực hiện được xác định bởi thứ tự của các phát biểu trong file chương trình nguồn. Trong kiến trúc VHDL thì không có thứ tự chỉ định nào cho các phát biểu gán. Thứ tự thực hiện được chỉ định rõ bởi sự kiện xảy ra trên tín hiệu mà phát biểu gán hướng đến. Khảo sát phát biểu gán đầu tiên được trình bày như sau: Select <= 0 WHEN s0 = „0‟ AND s1= „0‟ ELSE 54 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú 1 WHEN s0 = „1‟ AND s1= „0‟ ELSE 2 WHEN s0 = „0‟ AND s1= „1‟ ELSE 3; Gán tín hiệu được thực hiện bằng kí hiệu <=. Tín hiệu select sẽ được gán giá trị dựa vào giá trị của s0 và s1. Phát biểu gán này được thực hiện bất kỳ lúc nào khi một hoặc hai tín hiệu s0 và s1 có thay đổi. Một phát biểu gán tín hiệu được xem là nhạy với các thay đổi trên bất kỳ tín hiệu nào nằm bên phải của kí hiệu gán <=. Phát biểu gán tín hiệu của ví dụ trên thì nhạy với s0 và s1. Phát biểu gán tín hiệu khác trong kiến trúc dataflow nhạy với tín hiệu lựa chọn. Chúng ta sẽ khảo sát cách hai phát biểu ở trên hoạt động thực sự ra sao. Giả sử rằng chúng ta có điều kiện ổn định khi s0 và s1 đều có giá trị là 0 và các tín hiệu hiện hành a, b, c và d đều có giá trị là 0. Tín hiệu x sẽ có giá trị là 0 vì nó được gán cho giá trị của tín hiệu a. Bây giờ giả sử: chúng ta tạo ra một sự kiện thay đổi trên tín hiệu a từ giá trị 0 lên 1. Khi sự kiện tín hiệu a xảy ra thì phát biểu gán đầu tiên không được thực hiện bởi vì phát biểu này không nhạy với sự thay đổi của tín hiệu a vì tín hiệu a không nằm bên phải của toán tử. Phát biểu gán thứ 2 sẽ được thực hiện bởi vì nó nhạy với sự kiện xảy ra trên tín hiệu a. Khi phát biểu gán thứ 2 được thực hiện thì giá trị mới của a sẽ được gán cho tín hiệu x. Ngõ ra x bây giờ sẽ thay đổi sang 1. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát trường hợp khi tín hiệu s0 thay đổi. Giả sử cho s0 và s1 đều ở mức 0 và các port a, b, c và d có giá trị theo thứ tự là 0, 1, 0 và 1. Cho tín hiệu S0 thay đổi giá trị từ 0 lên 1. Phát biểu gán tín hiệu đầu tiên nhạy với s0 nên nó sẽ được thực hiện. Khi các phát biểu đồng thời thực hiện, việc tính toán giá trị biểu thức sẽ dùng giá trị hiện hành cho tất cả các tín hiệu chứa trong phát biểu. Khi phát biểu đầu tiên thực hiện sẽ tính giá trị mới để được gán cho select từ giá trị hiện hành của biểu thức tín hiệu nằm bên phải của kí hiệu gán <=. Việc tính toán giá trị biểu thức sẽ dùng giá trị hiện hành cho tất cả các tín hiệu chứa trong phát biểu. Với giá trị của s0 bằng 1 và s1 bằng 0 thì tín hiệu select sẽ nhận giá trị mới là 1. Giá trị mới của tín hiệu select được xem như sự kiện xảy ra trên tín hiệu select, làm phát biểu gán thứ 2 cũng được thực hiện theo. Phát biểu gán thứ 2 sẽ dùng giá trị mới của tín hiệu select để gán giá trị của port b cho ngõ ra x và x sẽ thay đổi giá trị từ 0 lên 1. b. Thời gian trể Việc gán tín hiệu cho tín hiệu x không xảy ra ngay lập tức. Mỗi một giá trị được gán cho tín hiệu x đều chứa phát biểu AFTER. Giá trị của x trong các phát biểu gán ở trên chỉ được nhận giá trị sau khoảng thời gian 0,5 ns. c. Đồng bộ lệnh Phát biểu gán đầu tiên chỉ được thực hiện khi các sự kiện xảy ra ở các port s0 và s1. Phát biểu gán tín hiệu thứ 2 sẽ không thực hiện trừ khi sự kiện xảy ra trên tín hiệu select hoặc sự kiện xảy ra trên các tín hiệu a, b, c, d. Kỹ thuật PLD và ASIC 55
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Hai phát biểu gán tín hiệu trong kiến trúc behave hình thành mô hình hành vi (behavioral model), hoặc kiến trúc cho thực thể mux. Kiến trúc dataflow thì không có cấu trúc. 3. THIẾT KẾ CÓ CẤU TRÚC (STRUCTURAL DESIGNS) Một cách khác để viết thiết kế mux là xây dựng các thành phần phụ mà chúng thực hiện các hoạt động nhỏ hơn của mô hình đầy đủ. Với mô hình đơn giản nhất của mạch đa hợp 4 ngõ vào như chúng ta đã dùng là mô tả ở cấp độ cổng đơn giản. Kiến trúc được trình bày sau đây là mô tả cấu trúc của thực thể mux. ARCHITECTURE netlist OF mux IS COMPONENT andgate PORT(a, b, c: IN BIT; x: OUT BIT); END COMPONENT; COMPONENT inverter PORT(in1: IN BIT; x: OUT BIT); END COMPONENT; COMPONENT orgate PORT(a, b, c, d: IN BIT; x: OUT BIT); END COMPONENT; SIGNAL s0_inv, s1_inv, x1, x2, x3, x4: BIT; BEGIN U1: inverter (s0, s0_inv); U2: inverter (s1, s1_inv); U3: andgate (a, s0_inv, s1_inv, x1); U4: andgate (b, s0, s1_inv, x2); U5: andgate (c, s0_inv, s1, x3); U6: andgate (d, s0, s1, x4); U7: orgate (x2 => b, x1 => a, x4 => d, x3 => c, x => x); END netlist; Mô tả này sử dụng một số các thành phần mức thấp hơn để mô hình hoá hành vi của thiết bị mux. Có một thành phần cổng đảo inverter, một thành phần cổng andgate, và một thành phần orgate. Một trong các thành phần này được khai báo trong phần khai báo kiến trúc – nằm giữa câu lệnh kiến trúc và BEGIN. Một số các tín hiệu được dùng để kết nối một trong các thành phần để thành lập mô tả kiến trúc. Các loại tín hiệu này được khai báo dùng khai báo SIGNAL. Vùng chứa phát biểu kiến trúc được thiết lập tại vị trí ngay sau từ khoá BEGIN. Trong ví dụ này có một số phát biểu của các thành phần. Các thành phần này được đặt tên là U1÷U7. Phát biểu U1 là phát biểu cho cổng đảo. Phát biểu này nối port s0 với port ngõ vào của thành phần cổng đảo và tín hiệu s0_inv với port ngõ ra của thành phần cổng đảo. Kết quả là port in1 của cổng đảo thì được nối tới port s0 của thực thể mux và port x của cổng đảo được nối tới tín hiệu cục bộ s0_inv. Trong phát biểu này thì các port được nối tới theo thứ tự mà chúng xuất hiện trong phát biểu. 56 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Chú ý phát biểu thành phần U7 – phát biểu này dùng các kí hiệu như sau: U7: orgate (x2 => b, x1 => a, x4 => d, x3 => c, x => x); Phát biểu này kết hợp các tên để tương thích với các port. Ví dụ port x2 của cổng orgate thì được nối tới port b của thực thể của phát biểu kết hợp đầu tiên. Sự kết hợp và thứ tự có thể không theo thứ tự nhưng không nên thực hiện. 4. HOẠT ĐỘNG TUẦN TỰ (SEQUENTIAL BEHAVIOR) Có một cách khác để mô tả chức năng của thiết bị mux trong ngôn ngữ VHDL. Thực ra ngôn ngữ VHDL có nhiều cách trình bày cho chức năng với kết quả tương tự. Cách thứ 3 để mô tả chức năng của mux là sử dụng phát biểu quá trình (process) để mô tả chức năng trình bày theo thuật toán. Cách này được dùng cho kiến trúc sequential như sau: ARCHITECTURE sequential OF mux IS PROCESS (a, b, c, d, s0, s1) VARIABLE sel: INTEGER; BEGIN IF s0 = „0‟ and s1 = „0‟ THEN sel:= 0 ; ELSIF s0 = „1‟ and s1 = „0‟ THEN sel:= 1 ; ELSIF s0 = „0‟ and s1 = „1‟ THEN sel:= 2 ; ELSE sel:= 3 ; END IF; CASE sel IS WHEN 0 => x x x x <= d ; END CASE; END PROCESS; END sequential; Kiến trúc này chỉ chứa 1 phát biểu duy nhất được gọi là phát biểu quá trình (process). Được bắt đầu với hàng có từ khoá PROCESS và kết thúc với hàng có từ khoá END PROCESS. Tất cả các phát biểu nằm giữa hai hàng trên được xem thành phần của phát biểu quá trình. a. Các phát biểu quá trình Phát biểu quá trình chứa nhiều thành phần. Thành phần thứ nhất được gọi là danh sách các phần tử nhạy. Thành phần thứ hai được gọi là thành phần khai báo quá trình. Thành phần thứ 3 là các phát biểu. Trong ví dụ trên thì danh sách liệt kê các tín hiệu nằm trong dấu ngoặc sau từ khoá PROCESS được gọi là danh sách nhạy. Danh sách này liệt kê chính xác những tín hiệu làm cho phát biểu quá trình được thực hiện. Trong ví dụ này thì danh sách chứa các tín hiệu là a, b, c, d, s0 và s1. Chỉ có những sự kiện xảy ra trên các tín hiệu này làm cho phát biểu quá trình được thực hiện. Kỹ thuật PLD và ASIC 57
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú b. Vùng khai báo quá trình Phần khai báo quá trình là vùng nằm giữa: sau danh sách nhạy và từ khoá BEGIN. Trong ví dụ trên phần khai báo chứa khai báo biến cục bộ sel. Biến này là biến cục bộ chỉ được dùng để tính toán giá trị dựa vào port s0 và s1. c. Thành phần phát biểu quá trình Thành phần phát biểu quá trình bắt đầu với từ khoá BEGIN và kết thúc với hàng có từ khoá END PROCESS. Tất cả các phát biểu nằm trong vùng quá trình là những phát biểu tuần tự. Điều này có nghĩa là phát biểu này được thực hiện xong thì câu lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện giống như một ngôn ngữ lập trình bình thường. Chú ý: thứ tự các phát biểu trong kiến trúc (architecture) thì không cần vì chúng thực hiện đồng thời, tuy nhiên trong quá trình (process) thì cần phải theo thứ tự – thứ tự thực hiện trong quá trình là thứ tự các phát biểu. d. Thực hiện quá trình Chúng ta xem cách hoạt động quá trình bằng cách phân tích hoạt động của ví dụ sequential trong kiến trúc theo từng hàng phát biểu. Để phù hợp chúng ta giả sử s0 thay đổi về 0. Bởi vì s0 nằm trong danh sách nhạy của phát biểu quá trình. Mỗi phát biểu trong quá trình được thực hiện theo trình tự. Trong ví dụ trên, phát biểu if được thực hiện đầu tiên và tiếp theo là phát biểu case. Kiểm tra thứ nhất xem s0 có bằng 0 hay không. Phát biểu này sẽ không thực hiện nếu s0 bằng 1 và s1 bằng 0. Phát biểu gán tín hiệu theo sau phát biểu kiểm tra thứ nhất sẽ không được thực hiện. Thay vào đó phát biểu kế được thực hiện. Phát biểu này kiểm tra đúng trạng thái và phát biểu gán theo sau lệnh kiểm tra s0 =1 và s1 = 0 được thực hiện. Giá trị sel:=1. e. Các phát biểu tuần tự Phát biểu sẽ thực hiện tuần tự. Khi một phát biểu kiểm tra thoả điều kiện thì phát biểu được thực hiện thành công và các bước kiểm tra khác sẽ không được thực hiện. Phát biểu IF đã thực hiện xong và bây giờ thì đến phát biểu case sẽ được thực hiện. Phát biểu case sẽ căn cứ vào giá trị của biến sel đã được tính toán trước đó ở câu lệnh IF và thực hiện đúng phát biểu gán tương ứng với giá trị của biến sel. Trong trường hợp này thì giá trị của sel = 1 nên câu lệnh gán x<= b sẽ được thực hiện. Giá trị của port b sẽ được gán cho port x và quá trình thực hiện sẽ chấm dứt bởi vì không còn phát biểu nào trong kiến trúc. 5. LỰA CHỌN KIẾN TRÚC Cho đến bây giờ 3 kiến trúc đã được dùng để mô tả cho một thực thể. Kiến trúc nào sẽ được dùng để xây dựng mô hình cho thực thể thì tuỳ thuộc vào độ chính xác mong muốn và nếu thông tin về cấu trúc được yêu cầu. Nếu mô hình sẽ được dùng để điều khiển công cụ layout thì kiến trúc netlist là lựa chọn hợp lý. Nếu mô hình cấu trúc không được yêu cầu vì nhiều lý do thì mô hình hiệu suất cao được sử dụng. Một trong 2 phương pháp còn lại (kiến trúc dataflow và sequential) thì có thể đạt hiệu suất cao hơn về yêu cầu không gian bộ nhớ và tốc độ thực hiện. 58 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Cách để lựa chọn giữa 2 phương pháp này có thể làm nảy sinh một câu khỏi về kiểu lập trình. Người xây dựng mô hình thích viết chương trình VHDL theo kiểu đồng thời hay theo kiểu trình tự? Nếu người xây dựng mô hình muốn viết mã VHDL kiểu đồng thời thì phải chọn kiểu kiến trúc dataflow, ngược lại thì chọn kiểu kiến trúc sequential. Thường thì người xây dựng mô hình quen với kiểu lập trình tuần tự nhưng kiểu đồng thời là những công cụ mạnh để viết cho các mô hình nhỏ hiệu suất cao. 6. CÁC PHÁT BIỂU CẤU HÌNH Một thực thể có thể có nhiều hơn một kiến trúc nhưng làm thế nào để người xây dựng mô hình chọn kiến trúc nào để sử dụng trong mô phỏng đã cho. Phát biểu cấu hình sắp xếp các thuyết minh thành phần cho thực thể. Với khả năng mạnh của cấu hình người xây dựng mô hình có thể được lựa chọn dùng xây dựng mô hình cho thực thể tại mỗi cấp độ trong thiết kế. Chúng ta sẽ xem xét phát biểu cấu hình dùng kiến trúc liệt kê của thực thể mux. Ví dụ 2-2: Phát biểu hình như sau: CONFIGURATION muxcon1 OF mux IS FOR netlist FOR U1, U2: Inverter USE ENTITY WORK.myinv (version1); END FOR; FOR U3, U4, U5, U6: andgate USE ENTITY WORK.myand (version1); END FOR; FOR U7: orgate USE ENTITY WORK.myor (version1); END FOR; END muxcon1; Chức năng của phát biểu cấu hình là diễn tả chính xác kiến trúc nào dùng cho mỗi thành phần trong mô hình. Điều này xảy ra ở kiểu hệ thống có cấp bậc. Thực thể có cấp bậc cao nhất trong thiết kế cần có kiến trúc để sử dụng cho các chỉ định cũng như bất kỳ thành phần nào cần được thuyết minh trong thiết kế. Bắt đầu phát biểu cấu hình là tên của cấu hình muxcon1 cho thực thể mux. Sử dụng kiến trúc netlist như là kiến trúc cho thực thể cấp cao nhất đó là mux. Đối với 2 thành phần U1 và U2 của cổng đảo inverter được thuyết minh cho kiến trúc netlist, sử dụng thực thể myinv, kiến trúc version1 từ thư viện được gọi là WORK. Đối với các thành phần U3 ÷ U6 của and andgate, dùng thực thể myand, kiến trúc version1 từ thư viện WORK. Đối với thành phần U7 của cổng orgate sử dụng thực thể myor, kiến trúc version1 từ thư viện WORK. Tất cả các thực thể bây giờ đều có các kiến trúc được chỉ định cho chúng. Thực thể mux có kiến trúc netlist và các thành phần khác có kiến trúc được đặt tên chỉ định version1. SỨC MẠNH CỦA CẤU HÌNH Kỹ thuật PLD và ASIC 59
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Khi biên dịch các thực thể, các kiến trúc và cấu hình đã chỉ định trước thì có thể xây dựng mô hình có thể mô phỏng. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu không muốn mô phỏng ở cấp độ cổng? Và nếu muốn dùng kiến trúc BEHAVE thay thế. Sức mạnh của cấu hình cho phép bạn không cần biên dịch lại toàn bộ thiết kế mà chỉ cần biên dịch lại cấu hình mới. Ví dụ 2-3: Cho cấu hình như sau: CONFIGURATION muxcon2 OF mux IS FOR dataflow END FOR; END muxcon2; Cấu hình này có tên là muxcon2 cho thực thể mux. Sử dụng kiến trúc dataflow cho thực thể cấp cao nhất là mux. Khi biên dịch cấu hình này thì kiến trúc dataflow được lựa chọn cho thực thể mux trong mô phỏng. Cấu hình này không cần thiết trong VHDL chuẩn nhưng cung cấp cho người thiết kế sự tự do để chỉ định chính xác kiến trúc nào sẽ được dùng cho thực thể. Kiến trúc mặc nhiên được dùng cho thực thể là kiến trúc sau cùng được biên dịch cho vào thư việc làm việc. 7. TÓM TẮT Trong phần này đã giới thiệu cơ bản về VHDL và cách sử dụng ngôn ngữ để xây dựng mô hình hành vi của thiết bị và thiết kế. Ví dụ thứ nhất đã trình bày cách xây dựng mô hình dataflow đơn giản trong VHDL được chỉ rõ. Ví dụ thứ 2 trình bày cách một thiết kế lớn có thể được thực hiện từ những thiết kế nhỏ hơn – trong trường hợp này bộ đa hợp 4 ngõ vào đã được xây dựng dùng các cổng AND, OR, và INVERTER. Ví dụ này cung cấp tổng quan cấu trúc của VHDL. IV. GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HÀNH VI Phát biểu gán tín hiệu là dạng cơ bản nhất của mô hình hành vi trong VHDL. Ví dụ 2-4: Phát biểu gán tín hiệu như sau: a <= b; Phát biểu này được đọc như sau: ‚a có giá trị của b‛. Kết quả của phát biểu gán này là giá trị hiện tại của b được gán cho tín hiệu a. Phát biểu gán này được thực hiện bất kỳ lúc nào tín hiệu b thay đổi giá trị. Tín hiệu b nằm trong danh sách nhạy của câu lệnh này. Bất kỳ tín hiệu nào trong danh sách nhạy của phát biểu gán tín hiệu thay đổi giá trị thì phát biểu gán tín hiệu được thực hiện. Nếu kết quả thực hiện có giá trị mới khác với giá trị trước đó thì sau một thời gian trể thì tín hiệu sẽ xuất hiện tại tín hiệu đích. Nếu kết quả thực hiện có cùng giá trị thì sẽ không có thời gian trể tín hiệu nhưng sự chuyển trạng thái vẫn được tạo ra. Sự chuyển trạng thái luôn được tạo ra khi mô hình được đánh giá nhưng chỉ những tín hiệu có giá trị thay đổi mới có sự kiện trể. Phát biểu sau sẽ giới thiệu về phát biểu gán tín hiệu sau một thời gian trể: a <= b AFTER 10 ns; Phát biểu này được đọc là ‚a có giá trị của b sau thời gian trể 10 ns‛ 60 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Cả hai phát biểu đều là các phát biểu gán tín hiệu đồng thời, và nhạy với sự thay đổi giá trị của tín hiệu b. Khi b thay đổi giá trị thì các phát biểu gán thực hiện và giá trị mới được gán cho giá trị của tín hiệu a. Ví dụ 2-5: Phát biểu gán tín hiệu đồng thời cho mô hình cổng AND như sau: ENTITY and2 IS PORT (a, b: IN BIT; c: OUT BIT); END and2; ARCHITECTURE and2_behav OF and2 IS BEGIN c <= a AND b AFTER 5 ns; A C B Hình 2-1. Cổng A có 2 ngõ vào. Cổng AND có 2 ngõ vào a, b và một ngõ ra c như hình 2-1. Giá trị của tín hiệu c có thể được gán cho giá trị mới khi một hoặc cả hai tín hiệu a và b thay đổi giá trị. Đơn vị thiết kế thực thể mô tả các port của cổng and2: có 2 ngõ vào a và b, một ngõ ra c. Kiến trúc and2_behav cho thực thể and2 chứa một phát biểu gán tín hiệu đồng thời. Phát biểu gán này nhạy với cả 2 tín hiệu a và tín hiệu b. Giá trị của biểu thức a and với b được tính toán trước, kết quả tính toán được đưa đến ngõ ra sau khoảng thời gian trể 5 ns từ lúc tính toán xong. Ví dụ 2-6: trình bày phát biểu gán tín hiệu phức tạp hơn nhiều và minh họa cho khái niệm đồng thời một cách chi tiết hơn. Hình 2-2 trình bày sơ đồ khối của bộ đa hợp 4 ngõ vào và mô hình hành vi cho mux như sau: MUX4 I0 I1 I2 Q I3 A B Hình 2-2. Kí hiệu của mux có 4 ngõ vào. LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY mux4 IS PORT (I0, I1, I2, I3, a, b: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC); END mux4; Kỹ thuật PLD và ASIC 61
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú ARCHITECTURE mux4 OF mux4 IS SIGNAL sel: INTEGER; BEGIN WITH sel SELECT q <= I0 AFTER 10 ns WHEN 0 I1 AFTER 10 ns WHEN 1 I2 AFTER 10 ns WHEN 2 I3 AFTER 10 ns WHEN 3 „X‟ AFTER 10 ns WHEN OTHERS; sel <= 0 WHEN a = „0‟ AND b = „0‟ ELSE 1 WHEN a = „1‟ AND b = „0‟ ELSE 2 WHEN a = „0‟ AND b = „1‟ ELSE 3 WHEN a = „1‟ AND b = „1‟ ELSE 4 ; END mux4; Thực thể entity cho mô hình này có 6 port ngõ vào và 1 port ngõ ra. 4 port ngõ vào (I0, I1, I2, I3) tượng trưng cho các tín hiệu sẽ được gán cho tín hiệu ngõ ra q. Chỉ 1 trong các tín hiệu được gán cho tín hiệu ngõ ra q dựa vào kết quả của 2 tín hiệu ngõ vào khác là a và b. Bảng sự thật cho bộ đa hợp được trình bày như hình 2-3. Để ứng dụng chức năng đã mô tả ở trên, chúng ta dùng phát biểu gán tín hiệu điều kiện và phát biểu gán tín hiệu có lựa chọn. Phát biểu thứ 2 trong ví dụ được gọi là phát biểu gán tín hiệu có điều kiện. Phát biểu này gán giá trị cho tín hiệu đích dựa vào các điều kiện được đánh giá cho mỗi lệnh. Các điều kiện WHEN được thực hiện một lần tại một thời điểm theo thứ tự tuần tự cho đến khi gặp điều kiện tương thích. Phát biểu thứ 2 gán giá trị cho tín hiệu đích khi tương thích điều kiện, tín hiệu đích là sel. Tuỳ thuộc vào giá trị của a và b thì các giá trị từ 0 đến 4 sẽ được gán cho sel. Nếu có nhiều điều kiện của một phát biểu tương thích thì phát biểu đầu tiên mà nó tương thích sẽ được thực hiện và các giá trị của phát biểu tương thích còn lại sẽ bị bỏ qua. Phát biểu thứ 1 được gọi là gán tín hiệu có lựa chọn và lựa chọn giữa số lượng các tuỳ chọn để gán giá trị đúng cho tín hiệu đích – trong ví dụ này tín hiệu đích là q. B A Q 0 0 I0 0 1 I1 1 0 I2 1 1 I3 Hình 2-3. Bảng trạng thái của mux có 4 ngõ vào. Biểu thức (giá trị sel trong ví dụ này) được đánh giá và phát biểu mà nó tương thích với giá trị của biểu thức được gán giá trị cho tín hiệu đích. Tất cả các giá trị có thể có của biểu thức phải có sự lựa chọn tương thích trong cách gán tín hiệu đã lựa chọn. 62 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Mỗi một tín hiệu ngõ vào có thể được gán cho ngõ ra q – tuỳ thuộc vào các giá trị của 2 ngõ vào a và b. Nếu các giá trị của a và b không xác định thì giá trị sau cùng ‘X’ (không xác định) được gán cho ngõ ra q. Trong ví dụ này, khi các ngõ vào lựa chọn ở giá trị không xác định thì ngõ ra được gán cho giá trị không xác định. Phát biểu thứ hai nhạy với các tín hiệu a và b. Bất kỳ lúc nào khi a hoặc b thay đổi giá trị, phát biểu gán thứ hai được thực hiện và tín hiệu sel được cập nhật. Phát biểu thứ 1 nhạy với tín hiệu sel. Khi tín hiệu sel thay đổi giá trị thì gán tín hiệu tín hiệu thứ nhất được thực hiện. Nếu ví dụ này được xử lý bởi công cụ tổng hợp, thì kết quả cấu trúc cổng được xây dựng giống như một bộ đa hợp 4 đường sang 1 đường. Nếu thư viện tổng hợp chứa bộ đa hợp 4 đường sang 1 đường thì bộ đa hợp này có thể được cấp phát dựa vào sự phức tạp của công cụ tổng hợp và đặt vào trong thiết kế. 1. DELAY QUÁN TÍNH VÀ DELAY TRUYỀN Trong VHDL có 2 loại delay có thể dùng cho mô hình hành vi. Delay quán tính thì được sử dụng phổ biến, trong khi delay truyền được sử dụng ở những nơi mà mô hình delay dây dẫn được yêu cầu. a. Delay quán tính: Delay quán tính là mặc nhiên trong VHDL. Nếu không có kiểu delay được chỉ định thì delay quán tính được sử dụng. Delay quán tính là delay mặc nhiên bởi vì trong hầu hết các trường hợp thì nó thực hiện giống như thiết bị thực. Giá trị của delay quán tính bằng với delay trong thiết bị. Nếu bất kỳ xung tín hiệu có chu kỳ với thời gian của tín hiệu ngắn hơn thời gian delay của thiết bị thì giá trị tín hiệu ngõ ra không thay đổi. Nếu thời gian của tín hiệu được duy trì ở một giá trị đặc biệt dài hơn thời gian delay của thiết bị thì delay quán tính sẽ được khắc phục và thiết bị sẽ thay đổi sang trạng thái mới. Hình 2-4 là một ví dụ về bộ đệm rất đơn giản – có 1 ngõ vào A và một ngõ ra B, dạng sóng được trình bày cho tín hiệu ngõ vào A và ngõ ra B. Tín hiệu A thay đổi từ ‘0’ sang ‘1’ tại mốc thời gian 10ns và từ ‘1’ sang ‘0’ tại mốc thời gian 20ns. Với các khoảng thời gian này cho phép xây dựng một xung hoặc xung nhọn có thời gian nhỏ hơn 10ns. Cho bộ đệm có thời gian trể là 20ns. Chuyển trạng thái từ ‘0’ sang ‘1’ trên tín hiệu A làm cho mô hình bộ đệm được thực hiện và theo dự kiến thì giá trị ‘1’ xuất hiện ở ngõ ra B tại mốc thời gian 30ns. Ở mốc thời gian 20ns, sự kiện tiếp theo trên tín hiệu A xảy ra (tín hiệu a xuống mức ‘0’) thì mô hình bộ đệm dự kiến một sự kiện mới sẽ xảy ra trên ngõ ra B có giá trị 0 tại mốc thời gian 40ns. Trong khi đó sự kiện đã dự kiến ở ngõ ra B cho mốc thời gian 30ns vẫn chưa xảy ra. Sự kiện mới được dự đoán bởi mô hình bộ đệm xung đột với sự kiện trước và trình mô phỏng ưu tiên cho sự kiện có mốc thời gian 30ns. Kết quả của việc ưu tiên là xung bị nuốt (mất). Lý do xung bị nuốt là tuỳ thuộc vào mô hình delay quán tính, sự kiện thứ nhất tại mốc thời gian 30ns chưa có đủ thời gian để hoàn thành delay quán tính của tín hiệu ngõ ra. Kỹ thuật PLD và ASIC 63
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Mô hình thời gian delay quán tính thường được sử dụng trong tất cả các trình mô phỏng. Trong hầu hết các trường hợp mô hình delay quán tính đủ chính xác cho các yêu cầu của người thiết kế. Một trong những lý do cho việc mở rộng sử dụng thời gian delay quán tính là nó ngăn chặn thời gian trì hoãn của xung xuyên qua thiết bị. Hình 2-4. Dạng sóng có delay quán tính của bộ đệm. b. Delay truyền tín hiệu Delay truyền tín hiệu không phải là delay mặc nhiên của VHDL mà phải được chỉ định. Delay truyền tượng trưng cho delay dây dẫn, bất kỳ xung nào được truyền đến ngõ ra đều được delay với một giá trị delay theo chỉ định. Delay truyền rất có ích để xây dựng mô hình thiết bị có trể trên đường dây, trên dây dẫn của bo mạch. Nếu chúng ta xem mạch đệm đã được trình bày ở hình 2-4 nhưng thay thế các dạng sóng delay quán tính bằng các dạng sóng delay truyền thì chúng ta có kết quả như hình 2-5. Cùng dạng sóng của ngõ vào nhưng dạng sóng ngõ ra B thì hoàn toàn khác. Với delay truyền thì các xung nhọn sẽ xuất hiện nhưng các sự kiện xếp theo thứ tự trước khi truyền đi. Tại mốc thời gian 10ns, mô hình bộ đệm được thực hiện và dự kiến một sự kiện ngõ ra sẽ lên mức ‘1’ tại mốc thời gian 30ns. Tại mốc thời gian 20ns mô hình bộ đệm bị kích và dự đoán một giá trị mới sẽ xuất hiện ở ngõ ra tại mốc thời gian 40ns. Với thuật toán delay truyền thì các sự kiện được đặt theo thứ tự. Sự kiện cho mốc thời gian 40ns được đặt trong danh sách các sự kiện nằm sau sự kiện của mốc thời gian 30ns. Xung không bị nuốt nhưng được truyền nguyên vẹn sau thời gian delay của thiết bị. 64 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Hình 2-5. Dạng sóng có delay truyền của bộ đệm. c. Mô hình Delay quán tính Mô hình tiếp theo trình bày cách viết một mô hình delay quán tính. Giống như những mô hình khác mà chúng ta đã khảo sát, delay mặc nhiên là delay quán tính do đó không cần thiết phải chỉ định kiểu delay là delay quán tính: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY buf IS PORT (a: IN STD_LOGIC; b: OUT STD_LOGIC); END buf; ARCHITECTURE buf OF buf IS BEGIN b <= a AFTER 20 ns ; END buf; d. Mô hình Delay truyền Ví dụ cho mô hình delay truyền được trình bày như sau: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY delay_line IS PORT (a: IN STD_LOGIC; b: OUT STD_LOGIC); END delay_line; ARCHITECTURE delay_line OF delay_line IS BEGIN b <= TRANSPORT a AFTER 20 ns ; END delay_line; Giống như mô hình delay quán tính chỉ khác là có thêm từ khoá TRANSPORT trong lệnh gán tín hiệu cho tín hiệu b. Khi từ khoá này tồn tại, kiểu delay được dùng trong phát biểu là delay truyền. 2. MÔ PHỎNG DELTA Mô phỏng delta được dùng để xếp thứ tự cho nhiều loại sự kiện trong mô phỏng thời gian. Đặc biệt các sự kiện delay bằng 0 phải được xếp theo thứ tự để tạo ra các kết quả thích hợp. Nếu các sự kiện delay zero không theo thứ tự hợp lý thì kết quả có thể khác nhau giữa các lần mô phỏng khác nhau. Một ví dụ cho kiểu này được trình bày ở hình 2-6. Mạch điện này là một phần của sơ đồ mạch đồng hồ. Kỹ thuật PLD và ASIC 65
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Mạch điện gồm có một cổng đảo, một cổng NAND và một cổng AND thúc ngõ vào đồng hồ của thành phần flip flop. Cổng NAND và cổng AND được dùng để gác ngõ vào xung clock đến flip flop. Chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch dùng cơ cấu delay delta và cơ cấu khác. Bằng cách kiểm tra 2 cơ cấu delay chúng ta sẽ hiểu rõ hơn cách delay delta sắp xếp các sự kiện. Hình 2-6. So sánh 2 cơ cấu đánh giá. Để dùng delay delta thì tất cả các thành phần của mạch điện phải có delay zero theo chỉ định. Delay cho cả 3 cổng được chỉ định là zero. (các mạch điện thực tế thì không có đặc tính như thế). Khi có cạnh xuống xảy ra trên tín hiệu A, ngõ ra của cổng đảo thay đổi đúng thời điểm 0. Chúng ta giả sử rằng sự kiện xảy ra tại mốc thời gian 10ns. Tín hiệu ra B của cổng đảo thay đổi ngược với giá trị mới của ngõ vào. Khi giá trị B thay đổi, cả hai cổng AND và NAND được đánh giá lại. Trong ví dụ này giả sử ngõ vào xung clock là 1. Nếu cổng NAND được đánh giá trước thì giá trị mới ở ngõ ra cổng NAND là ‘0’. Khi cổng AND được đánh giá thì tín hiệu B có giá trị là ‘1’ và tín hiệu C có giá trị là ‘0’, do đó cổng AND dự đoán kết quả mới là ‘0’. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu cổng AND đánh giá trước. Ở cổng AND sẽ có giá trị ‘1’ ở tín hiệu B và giá trị ‘1’ ở tín hiệu C (cổng NAND chưa đánh giá). Ngõ ra cổng AND có giá trị mới là ‘1’. Bây giờ cổng NAND mới được đánh giá và giá trị mới ở ngõ ra là ‘0’. Sự thay đổi ở ngõ ra NAND làm cho cổng AND đánh giá lại lần nữa. Cổng AND có giá trị của B là ‘1’ và giá trị mới của tín hiệu C là ‘0’. Ngõ ra cổng AND bây giờ sẽ có giá trị là ‘0’. Quá trình này được tóm tắt như hình 2-7. Cả hai tín hiệu đến ngõ vào D. Tuy nhiên khi cổng AND được đánh giá trước thì có xung cạnh lên với độ rộng delta xuất hiện ở ngõ ra D. Cạnh lên này có thể kích flip flop, tuỳ thuộc vào cách mô hình flip flop được xây dựng. 66 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú AND FIRST NAND FIRST Evaluate inverter Evaluate inverter B <= 1 B <= 1 Evaluate AND (C = 1) Evaluate NAND D <= 1 C <= 0 Evaluate NAND Evaluate AND C <= 0 D <= 0 Evaluate AND D <= 0 Hình 2-7. So sánh 2 cơ cấu đánh giá. Trọng tâm của vấn đề là nếu không có cơ cấu đồng bộ delta thì kết quả của mô phỏng có thể tuỳ thuộc vào cách các cấu trúc dữ liệu mô phỏng được xây dựng. Ví dụ, khi biên dịch mạch điện lần thứ nhất thì có thể cổng AND được đánh giá trước, nếu biên dịch lại lần nữa thì có thể cổng NAND được đánh giá trước – cho ra kết quả không mong muốn, mô phỏng delta sẽ ngăn chặn hành vi này xảy ra. Cùng một mạch điện được đánh giá dùng cơ cấu delay delta VHDL sẽ đánh giá như hình 2-8. Time Delta 10 ns (1) A <= 0 Evaluate inverter (2) B <= 1 Evaluate AND Evaluate NAND (3) D <= 1 C <= 0 Evaluate AND (4) D <= 0 11 ns Hình 2-8. Cơ cấu đánh giá delay delta. Ở điểm thời gian delta đầu tiên của 10ns, tín hiệu A nhận giá trị ‘0’. Giá trị này làm cho cổng đảo được đánh giá lại với giá trị mới. Tín hiệu ngõ ra cổng đảo B có giá trị là ‘1’. Giá trị này không truyền ngay lập tức mà chờ cho đến điểm thời gian delta thứ 2. Sau đó trình mô phỏng bắt đầu thực hiện điểm thời gian delta thứ 2. Tín hiệu B được cập nhật giá trị là ‘1’ và cổng AND và cổng NAND được đánh giá lại. Cả hai cổng AND và NAND phải chờ các giá trị mới ở điểm thời gian delta thứ 3. Khi điểm thời gian delta thứ 3 xảy ra, tín hiệu D nhận giá trị là ‘1’ và tín hiệu C nhận giá trị là ‘0’. Do tín hiệu C cũng thúc cổng AND, cổng AND được đánh giá lại và chờ kết quả ngõ ra ở điểm thời gian delta thứ 4. Cuối cùng ngõ ra D bằng ‘0’. Tóm lại mô phỏng delta là lượng thời gian vô cùng nhỏ được dùng như một cơ cấu đồng bộ khi các sự kiện delay zero xuất hiện. Delay delta được dùng khi delay zero được chỉ định và trình bày như sau: Kỹ thuật PLD và ASIC 67
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú a <= b after 0 ns; Một trường hợp khác dùng delay delta là khi delay zero được chỉ định. Ví dụ 2-7: Phát biểu hình như sau: a <= b ; Trong cả 2 trường hợp, tín hiệu b thay đổi giá trị từ 1 sự kiện, tín hiệu a được gán tín hiệu sau khoảng thời gian delay delta. Một mô hình VHDL tương đương của mạch điện được trình bày như hình 2-6: ENTITY reg IS PORT (a, clock: IN BIT; d: OUT BIT); END reg; ARCHITECTURE test OF reg IS SIGNAL b,c: BIT; BEGIN b <= NOT (a); no delay c <= NOT (clock AND b); d <= c AND b; END test; 3. DRIVER VHDL có một phương pháp duy nhất để xử lý các tín hiệu có nhiều nguồn kích. Các tín hiệu có nhiều nguồn kích rất hữu ích cho mô hình bus dữ liệu, bus hai chiều, Mô hình chính xác các loại mạch điện này trong VHDL yêu cầu phải biết các khái niệm về mạch kích (thúc) tín hiệu. Mỗi một driver của VHDL xem như một tín hiệu góp phần cho giá trị tổng thể của một tín hiệu. Một tín hiệu có nhiều nguồn kích sẽ có nhiều driver. Các giá trị của tất cả các driver được phân tích cùng nhau để tạo ra giá trị duy nhất cho tín hiệu này. Phương pháp phân tích tất cả các tín hiệu góp phần thành một giá trị duy nhất là thông qua hàm phân tích. Một hàm phân tích là hàm do người thiết kế viết, sẽ được gọi mỗi khi một driver của tín hiệu thay đổi giá trị. a. Tạo driver: Các driver được tạo ra bằng các phát biểu tín hiệu. Một phép gán tín hiệu đồng thời bên trong một kiến trúc tạo ra một driver cho một phép gán tín hiệu. Do đó nhiều phép gán tín hiệu sẽ tạo ra nhiều driver cho một tín hiệu. Hãy khảo sát kiến trúc sau đây ARCHITECTURE test OF test IS BEGIN a <= b AFTER 10ns; a <= c AFTER 10ns; END test; Tín hiệu a sẽ được kích từ hai nguồn b và c. Mỗi phát biểu gán tín hiệu đồng thời sẽ tạo ra một driver cho tín hiệu a. Phát biểu thứ nhất tạo ra một driver chứa giá trị của tín hiệu b được trì hoãn 10 ns. 68 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Phát biểu thứ hai tạo ra một driver chứa giá trị của tín hiệu c được trì hoãn 10 ns. Những người thiết kế sử dụng VHDL không muốn tùy ý thêm vào các ràng buộc ngôn ngữ đối với hành vi của tín hiệu. Khi tổng hợp ví dụ ở trên sẽ nối tắt b và c với nhau. b. Mô hình nhiều driver xấu: Ta hãy khảo sát một mô hình thoạt nhìn có vẻ đúng nhưng lại không thực hiện chức năng như người sử dụng dự định. Mô hình này sử dụng một mạch đa hợp 4 đường sang 1 đường đã thảo luận: USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY mux4 IS PORT (i0, i1, i2, i3, a, b: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC); END mux4; ARCHITECTURE bad OF mux4 IS BEGIN q <= i0 WHEN a = „0‟ AND b = „0‟ ELSE „0‟ q <= i1 WHEN a = „1‟ AND b = „0‟ ELSE „0‟ q <= i2 WHEN a = „0‟ AND b = „1‟ ELSE „0‟ q <= i3 WHEN a = „1‟ AND b = „1‟ ELSE „0‟ END bad; Mô hình này gán: i0 cho q khi a bằng ‘0’ và b bằng ‘0’; i1 khi a bằng ‘1’ và b bằng ‘0’; Thoạt nhìn, mô hình này có vẻ hoạt động đúng. Tuy nhiên mỗi phép gán cho tín hiệu q tạo ra một tín driver mới cho tín hiệu q. Bốn driver cho tín hiệu q được tạo ra trong mô hình này. Mỗi driver sẽ kích giá trị của một trong các ngõ vào i0, i1, i2, i3 hoặc ‘0’. Giá trị được kích phụ thuộc vào các tín hiệu a và b. Nếu a bằng ‘0’ và b bằng ‘0’, phát biểu gán đầu tiên đặt giá trị của i0 và một trong các driver của q. Ba phát biểu gán khác không thỏa điều kiện và do vậy sẽ kích giá trị ‘0’. Như vậy, ba driver sẽ kích giá trị ‘0’ và một driver sẽ kích giá trị của i0. Các hàm phân tích điển hình khó mà dự đoán kết quả ngõ ra q mong muốn, nhưng giá trị thực của nó chính là i0. Cách tốt hơn để viết cho mô hình này là chỉ xây dựng một mạch driver (kích) cho tín hiệu q như được trình bày sau đây ARCHITECTURE better OF mux4 IS BEGIN q <= i0 WHEN a = „0‟ AND b = „0‟ ELSE i1 WHEN a = „1‟ AND b = „0‟ ELSE i2 WHEN a = „0‟ AND b = „1‟ ELSE i3 WHEN a = „1‟ AND b = „1‟ ELSE „X‟; END better; 4. GENERIC Kỹ thuật PLD và ASIC 69
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Generic là một cơ cấu tổng quát được dùng để chuyển thông tin đến thực thể. Thông tin được chuyển đến thực thể là một trong các kiểu được VHDL cho phép. Generic cũng có thể được dùng để chuyển các kiểu dữ liệu bất kỳ do người thiết kế định nghĩa bao gồm các thông tin như điện dung tải, điện trở, Các thông số tổng hợp như độ rộng đường dữ liệu, độ rộng tín hiệu, có thể chuyển được dưới dạng các generic. Tất cả dữ liệu được chuyển đến một thực thể là các thông tin rõ ràng. Các giá trị dữ liệu có liên quan đến instance đang được truyền dữ liệu. Ở phương pháp này, người thiết kế có thể truyền các giá trị khác nhau đến các instance khác nhau trong thiết kế. Dữ liệu được truyền đến instance là dữ liệu tĩnh. Sau khi mô hình được cho thêm chi tiết (liên kết với trình mô phỏng), dữ liệu sẽ không thay đổi trong thời gian mô phỏng. Các generic không thể được gán thông tin cho các thành phần chạy chương trình mô phỏng. Thông tin chứa trong các generic được chuyển đến instance thành phần hoặc một khối có thể được sử dụng để thay đổi các kết quả trong mô phỏng, nhưng các kết quả không thể sửa đổi các generic. Ví dụ 2-8: thực thể cổng AND có 3 generic kết hợp: ARCHITECTURE load_dependent OF and2 IS SIGNAL internal BIT; BEGIN internal <= a AND b; c <= Internal AFTER (rise + (load*2 ns)) IF Internal = „1‟ ELSE Internal AFTER (rise + (load*3 ns)); END load_dependent; Kiến trúc này khai báo một tín hiệu cục bộ gọi là internal để lưu giá trị của biểu thức a và b. Các giá trị tính toán trước dùng cho nhiều instance là một phương pháp rất hiệu quả cho việc xây dựng mô hình. Các generic rise, fall và load chứa các giá trị đã được chuyển vào bởi phát biểu của instance thành phần. Ta hãy khảo sát một phần của mô hình mà nó thể hiện các thành phần loại AND2 trong một cấu trúc khác: ENTITY test IS GENERIC (rise, fall: TIME; load: INTEGER); PORT (ina, inb, inc, ind: IN STD_LOGIC; Out1, out2: OUT STD_LOGIC); END test; ARCHITECTURE test_arch OF test IS COMPONENT and2 GENERIC (rise, fall: TIME; load: INTEGER); PORT(a, b: IN BIT; c: OUT BIT); END COMPONENT; BEGIN U1: and2 GENERIC MAP (10 ns, 12 ns, 3) PORT MAP (ina, inb, out1); U2: and2 GENERIC MAP (9 ns, 11 ns, 5) PORT MAP (inc, ind, out2); END test_arch; Phát biểu kiến trúc đầu tiên khai báo các thành phần sẽ được sử dụng trong mô hình. Trong ví dụ này thành phần AND2 được khai báo. 70 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Tiếp theo, thân của phát biểu kiến trúc chứa hai phát biểu thể hiện thành phần của các thành phần U1 và U2. Port a của thành phần U1 được ánh xạ đến tín hiệu ina, port b được ánh xạ đến tín hiệu inb và port c được ánh xạ đến tín hiệu out1. Cùng phưong pháp như vậy thành phần U2 được ánh xạ đến các tín hiệu inc, ind và out2. Generic rise của thể hiện U1 được ánh xạ đến 10ns, generic fall được ánh xạ đến 12ns và generic load được ánh xạ đến 3. Các generic của thành phần U2 được ánh xạ đến các giá trị 9 ns, 11ns và giá trị 5. Các generic cũng có thể có giá trị mặc định, các giá trị này được ghi đè nếu các giá trị thực tế được ánh xạ đến các generic. Ví dụ tiếp theo trình bày hai thể hiện thành phần loại AND2. Trong thành phần U1, giá trị thực tế được ánh xạ đến generic và các giá trị này được dùng để điều khiển hành vi mô phỏng nếu được chỉ định rõ, ngược lại sẽ phát sinh lỗi. LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY test IS GENERIC (rise, fall: TIME; load: INTEGER); PORT (ina, inb, inc, ind: IN STD_LOGIC; Out1, out2: OUT STD_LOGIC); END test; ARCHITECTURE test_arch OF test IS COMPONENT and2 GENERIC (rise, fall: TIME: = 10 ns; load: INTEGER := 0); PORT(a, b: IN BIT; c: OUT BIT); END COMPONENT; BEGIN U1: and2 GENERIC MAP (10 ns, 12 ns, 3) PORT MAP (ina, inb, out1); U2: and2 PORT MAP (inc, ind, out2); END test_arch; Như đã nhìn thấy, các generic có nhiều cách dùng. Việc sử dụng generic chỉ bị giới hạn bởi sự sáng tạo của người viết mô hình. 5. CÁC PHÁT BIỂU KHỐI Các khối là cơ cấu từng phần trong VHDL – cho phép người thiết kế các khối trong mô hình. Ví dụ nếu bạn thiết kế CPU thì có thể chia ra thành nhiều khối như khối ALU, khối bank thanh ghi và các khối khác. Mỗi khối có thể khai báo các tín hiệu cục bộ, kiểu dữ liệu, hằng số, Bất kỳ đối tượng nào – mà nó có thể được khai báo trong phần khai báo kiến trúc – thì có thể được khai báo trong phần khai báo khối. Ví dụ 2-9: dùng các phát biểu khôái: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; Kỹ thuật PLD và ASIC 71
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú package bit32 IS TYPE tw32 IS ARRAY ( 31 downto 0 ) OF std_logic; END bit32; LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; USE WORK.bit32.ALL; ENTITY cpu IS PORT (clk, interrupt: IN STD_LOGIC; addr: OUT tw32; data: INOUT tw32;); END cpu; ARCHITECTURE cpu_blk OF cpu IS SIGNAL ibus, dbus: tw32; BEGIN ALU: BLOCK SIGNAL qbus: tw32; BEGIN alu behavior stataments END BLOCK ALU; REG8: BLOCK SIGNAL zbus: tw32; BEGIN REG1: BLOCK SIGNAL qbus: tw32; BEGIN REG1 behavior stataments END BLOCK REG1; more REG8 stataments END BLOCK REG8; END cpu_blk; Thực thể cpu có khai báo thực thể ngoài cùng trong mô hình (mô hình cho ví dụ này chưa hoàn chỉnh). Thực thể cpu khai báo 4 port – dùng cho giao tiếp mô hình. Các port clk và interrupt là các port ngõ vào, addr là port ngõ ra và data là port hai chiều inout. Tất cả các port này được nhìn thấy ở bất kỳ khối nào, được khai báo trong kiến trúc cho thực thể này. Các port ngõ vào có thể đọc và các port ngõ ra có thể được gán giá trị. Các tín hiệu ibus và dbus là các tín hiệu cục bộ được khai báo trong kiến trúc cpu_blk. Các tín hiệu này là cục bộ đối với kiến trúc cpu_blk và do đó các khối bên ngoài không được truy xuất các tín hiệu này. Tuy nhiên, bất kỳ khối nằm nào bên trong kiến trúc đó đều có thể truy xuất các tín hiệu này. Các khối có cấp mức độ thấp thì có thể truy xuất đến các tín hiệu có cấp mức độ cao hơn, nhưng 72 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú các khối có cấp mức độ cao hơn thì không thể truy xuất đến các tín hiệu cục bộ của khối cấp thấp hơn. Tín hiệu qbus được khai báo trong phần khai báo khối của khối ALU. Tín hiệu này là tín hiệu cục bộ cho khối ALU và các khối bên ngoài không thể truy xuất. Tất cả các phát biểu nằm bên trong khối ALU có thể truy xuất qbus, nhưng các phát biểu bên ngoài khối ALU thì không thể dùng qbus. Tương tự, tín hiệu zbus cho khối REG8. Khối REG1 nằm bên trong khối REG8 có thể truy xuất tín hiệu zbus và tất cả các phát biểu khác trong khối REG8 cũng có thể truy xuất tín hiệu zbus. Trong phần khai báo của khối REG1 còn khai báo một tín hiệu khác gọi là qbus. Tín hiệu này có cùng tên với tín hiệu qbus được khai báo trong khối ALU – điều này có gây ra xung đột gì không ? Đối với chương trình chương trình biên dịch thì hai tín hiệu này là độc lập. Hai tín hiệu này được khai báo trong hai vùng khác nhau và chỉ có hiệu lực cho vùng đó. Một trường hợp khác lồng vào nhau như sau: BLK1: BLOCK SIGNAL qbus: tw32; BEGIN BLK2: BLOCK SIGNAL qbus: tw32; BEGIN blk2 stataments END BLOCK BLK2; blk1 stataments END BLOCK BLK1; Trong ví dụ này, tín hiệu qbus được khai báo trong 2 khối. Cấu trúc lồng vào nhau trong mô hình này là một khối có chứa một khối khác. Khối BLK2 truy xuất 2 tín hiệu được gọi là qbus: tín hiệu qbus thứ nhất khai báo trong BLK2 và tín hiệu qbus thứ 2 khai báo trong BLK1. Khối BLK1 là cha của khối BLK2. Tuy nhiên, khối BLK2 xem tín hiệu qbus nằm trong chính nó, nhưng tín hiệu qbus của khối BLK1 sẽ bị ghi đè bởi khai báo cùng tên của tín hiệu khối BLK2. Tín hiệu qbus từ BLK1 có thể được nhìn thấy bên trong khối BLK2, nếu tên của tín hiệu qbus được bổ sung thêm bằng tên của khối. Cụ thể cho ví dụ ở trên, để truy xuất tín hiệu qbus từ khối BLK1 thì dùng BLK1.qbus. Như đã đề cập ở trên, các khối chứa các vùng của mô hình bên trong nó. Nhưng các khối là duy nhất bởi vì một khối có thể chứa các port và các generic. Điều này cho phép người thiết kế ánh xạ lại các tín hiệu và các generic bên ngoài đến các tín hiệu và generic nằm bên trong khối. Nhưng tại sao người thiết kế muốn làm điều này. Dung lượng của các port và các generic trong một khối cho phép người thiết kế dùng lại các khối đã viết cho mục đích khác trong thiết kế mới. Giả sử ta muốn cải tiến thiết kế CPU và cần mở rộng thêm chức năng cho khối ALU, và ta giả sử rằng một người thiết kế khác có khối ALU mới có thể thực hiện được các chức năng mà ta Kỹ thuật PLD và ASIC 73
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú cần thì vấn đề chỉ còn là hiệu chỉnh lại tên của các port và các generic cho tương thích với khối mới là xong. Phải ánh xạ các tên của tín hiệu và các thông số generic trong thiết kế đang cải tiến với các port và các generic đã xây dựng của khối ALU mới. Ví dụ 2-10: minh hoạ cho sự cải tiến: package math IS TYPE tw32 IS ARRAY ( 31 downto 0 ) OF std_logic; FUNCTIOB tw_add(a,b; tw32) RETURN tw32; FUNCTIOB tw_sub(a,b; tw32) RETURN tw32; END math; USE WORK.math.ALL; LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY cpu IS PORT (clk, interrupt: IN STD_LOGIC; addr: OUT tw32; cont : IN INTEGER; data: INOUT tw32); END cpu; ARCHITECTURE cpu_blk OF cpu IS SIGNAL ibus, dbus: tw32; BEGIN ALU: BLOCK PORT (abus, bbus: IN tw32; D_out: OUT tw32; ctbus: IN INTEGER); PORT MAP (abus => ibus, bbus => dbus, d_out => data, ctbus => cont); SIGNAL qbus: tw32; BEGIN D_out <= tw_add (abus, bbus) WHEN ctbus = 0 ELSE tw_add (abus, bbus) WHEN ctbus = 1 ELSE abus; END BLOCK ALU; END cpu_blk; Về cơ bản mô hình này giống như mô hình đã trình bày ngoại trừ port và các phát biểu ánh xạ port trong phần khai báo khối ALU. Phát biểu port khai báo số lượng được dùng cho khối, hướng của port và loại dữ liệu của port. Phát biểu ánh xạ port sẽ ánh xạ port mới với các tín hiệu hoặc các port tồn tại bên ngoài khối. Port abus được ánh xạ cho tín hiệu cục bộ ibus của kiến trúc CPU_BLK, port bbus được ánh xạ cho dbus. Các port d_out và ctbus được ánh xạ cho các port bên ngoài của thực thể. 74 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Ánh xạ có nghĩa là kết nối giữa port và tín hiệu bên ngoài chẳng hạn như khi có một sự thay đổi giá trị trên một tín hiệu nối đến 1 port thì port sẽ thay đổi sang giá trị mới. Nếu sự thay đổi xảy ra trong tín hiệu ibus thì giá trị mới của ibus được truyền vào khối ALU và port abus sẽ có giá trị mới. Tương tự cho tất cả các port. Các khối có bảo vệ Các phát biểu khối có khối hành vi lồng vào bên trong được xem như những khối có bảo vệ. Một khối có bảo vệ chứa một biểu thức bảo vệ – có thể cho phép và không cho phép các driver bên trong khối. Biểu thức bảo vệ là biểu thức đại số boolean: nếu bằng true thì các driver bên trong khối được phép và nếu bằng false thì các driver bị cấm. Chúng ta sẽ khảo sát ví dụ 2-11: Ví dụ 2-11: có khối bảo vệ LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY latch IS PORT (d, clk: IN STD_LOGIC; q, qb: OUT STD_LOGIC); END latch; ARCHITECTURE latch_guard OF latch IS BEGIN G1: BLOCK (clk = „1‟) BEGIN q <= GUARDED d AFTER 5 ns; qb <= GUARDED NOT (d) AFTER 7 ns; END BLOCK G1; END latch_guard; Mô hình này minh họa cách thức mô hình mạch chốt có thể được viết dùng khối có bảo vệ. Thực thể khai báo 4 port cần thiết cho mạch chốt và chỉ có một phát biểu trong kiến trúc. Phát biểu chính là phát biểu khối có bảo vệ. Phát biểu khối có bảo vệ giống như phát biểu khối bình thường, ngoại trừ biểu thức bảo vệ nằm sau từ khoá BLOCK. Biểu thức bảo vệ trong vệ trong ví dụ này là (clk=’1’). Đây là biểu thức luận lý và trả về kết quả là true khi giá trị của clk bằng ‘1’ và sẽ có giá trị là false khi clk có giá trị khác. Khi biểu thức bảo vệ là true thì tất cả driver của các phát biểu gán tín hiệu bảo vệ được phép hoặc được mở. Khi biểu thức bảo vệ là false thì tất cả các driver của các phát biểu gán tín hiệu bảo vệ bị cấm hoặc bị tắt. Có 2 phát biểu gán tín hiệu bảo vệ trong mô hình: phát biểu thứ nhất là gán giá trị q và câu lệnh gán còn lại là gán giá trị qb. Phát biểu gán tín hiệu có bảo vệ được nhận ra bằng từ khoá GUARDED nằm giữa ‚<=‛ và thành phần của biểu thức. Kỹ thuật PLD và ASIC 75
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Khi port clk của thực thể có giá trị là ‘1’ thì biểu thức bảo vệ có giá trị là true và khi giá trị của ngõ vào d sẽ xuất hiện ở ngõ ra q sau khoảng thời gian trể 7ns. Khi port clk có giá trị là ‘0’ hoặc bất kỳ giá trị nào khác hợp lệ của kiểu dữ liệu thì ngõ ra q và qb chuyển sang tắt và giá trị ngõ ra của tín hiệu được xác định bởi giá trị được gán cho một giá trị mặc định bởi hàm phân giải. Khi clk không bằng ‘1’ thì các driver được xây dựng cho các lệnh gán tín hiệu q và qb trong kiến trúc sẽ chuyển sang tắt. Các driver không tham gia vào giá trị tổng thể của tín hiệu. Gán tín hiệu có thể được bảo vệ bằng cách dùng từ khoá GUARDED. Tín hiệu mới được khai báo hoàn toàn trong khối khi khối có biểu thức bảo vệ. Tín hiệu này được gọi là GUARD. Giá trị của nó là giá trị của biểu thức bảo vệ. Tín hiệu này có thể được dùng để các xử lý khác xảy ra. Các khối rất tiện lợi để chia nhỏ thiết kế thành các khối nhỏ hơn, các đơn vị dễ quản lý hơn. Chúng cho phép người thiết kế sự mềm dẻo để xây dựng những thiết kế lớn từ những khối nhỏ hơn và cung cấp phương pháp thuận tiện cho điều khiển các driver đối với tín hiệu. 6. TÓM TẮT Cách gán tín hiệu là dạng cơ bản nhất của mô hình hành vi. Phát biểu gán tín hiệu có thể được lựa chọn tuỳ vào điều kiện. Phát biểu gán tín hiệu có thể chứa thời gian trể. VHDL chứa trì hoãn trể quán tính và trì hoãn truyền. Các điểm thời gian mô phỏng delta dùng để các sự kiện hoạt động đúng thời gian. Các driver cho một tín hiệu được xây dựng bởi các phát biểu gán tín hiệu. Generic được dùng để truyền dữ liệu cho thực thể. Các phát biểu khối cho phép xây dựng nhóm trong cùng một thực thể. Các phát biểu khối bảo vệ cho phép khả năng tắt các driver trong một khối. V. XỬ LÝ TUẦN TỰ Ở phần trước chúng ta đã khảo sát mô hình hành vi dùng các phát biểu đồng thời. Chúng ta đã thảo luận các phát biểu gán đồng thời cũng như các phát biểu khối và thể hiện thành phần. Trong phần này chúng ta tập trung cho phát biểu tuần tự. Các phát biểu tuần tự là các phát biểu thực hiện nối tiếp nhau. 1. PHÁT BIỂU Trong một kiến trúc của một thực thể, tất cả các phát biểu là đồng thời. Vậy thì các phát biểu tuần tự tồn tại ở đâu trong VHDL ? Có một phát biểu được gọi là phát biểu quá trình – chỉ chứa các phát biểu tuần tự. Phát biểu quá trình cũng chính là phát biểu đồng thời. Phát biểu quá trình có thể tồn tại trong kiến trúc và những vùng xác định trong kiến trúc – nơi chứa các lệnh tuần tự. Phát biểu quá trình có phần khai báo và phần phát biểu. Trong phần khai báo thì các kiểu, các biến, các hằng số, các chương trình con, , có thể được khai báo. Phần phát biểu chỉ chứa các phát biểu tuần tự. Các phát biểu tuần tự chứa các phát biểu CASE, phát biểu IF THEN ELSE, phát biểu LOOP, 76 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú a. Danh sách nhạy Phát biểu quá trình có thể có một danh sách nhạy. Danh sách này định nghĩa các tín hiệu làm cho các phát biểu bên trong phát biểu quá trình thực hiện khi có một hoặc nhiều phần tử trong danh sách thay đổi giá trị. b. Ví dụ về quá trình Chúng ta hãy quan sát ví dụ 2-12 của phát biểu quá trình trong kiến trúc Ví dụ 2-12: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY nand2 IS PORT (a, b: IN STD_LOGIC; c: OUT STD_LOGIC); END nand2; ARCHITECTURE nand2 OF nand2 IS BEGIN PROCESS (a,b) VARIABLE temp : STD_LOGIC; BEGIN temp := NOT (a AND b); IF (temp = „1‟ ) THEN c <= temp AFTER 6 ns; ELSIF (temp = „0‟ ) THEN c <= temp AFTER 5 ns; ELSE c <= temp AFTER 6 ns; END IF; END PROCESS; END and2; Trong ví dụ này trình bày cách viết mô hình cho một cổng NAND đơn giản có 2 ngõ vào dùng phát biểu tuần tự. Phát biểu USE khai báo gói VHDL để cung cấp những thông tin cần thiết cho phép xây dựng mô hình cho cổng NAND. Phát biểu USE được dùng để cho mô hình có thể được mô phỏng với trình mô phỏng VHDL mà không cần thêm bước hiệu chỉnh nào. Thực thể khai báo 3 port cho cổng nand2. Port a và port b là ngõ vào và port c là ngõ ra. Tên của kiến trúc cùng tên với thực thể. Kiến trúc chỉ chứa một phát biểu, một phát biểu quá trình đồng thời. Phần khai báo quá trình bắt đầu tại từ khoá PROCESS và kết thúc tại từ khoá BEGIN. Phần phát biểu quá trình bắt đầu tại từ khoá BEGIN và kết thúc tại từ khoá END PROCESS. Phần khai báo quá trình có hai phát biểu tuần tự: một phát biểu gán biến: temp := NOT (a AND b); Và một phát biểu IF THEN ELSE Kỹ thuật PLD và ASIC 77
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú IF (temp = „1‟ ) THEN c <= temp AFTER 6 ns; ELSIF (temp = „0‟ ) THEN c <= temp AFTER 5 ns; ELSE c <= temp AFTER 6 ns; END IF; Quá trình chứa danh sách nhạy rõ ràng với 2 tín hiệu chứa bên trong: PROCESS (a,b) Quá trình đang thực hiện (nhạy) với 2 tín hiệu a và b. Trong ví dụ này, a và b là 2 port ngõ vào của mô hình. Các port ngõ vào xây dựng các tín hiệu có thể được dùng như các ngõ vào, các port ngõ ra xây dựng các tín hiệu có thể được dùng như các ngõ ra, các port inout xây dựng các tín hiệu có thể được dùng cho cả 2 vào – ra. Khi port a hoặc b thay đổi giá trị thì phát biểu bên trong quá trình được thực hiện. Mỗi phát biểu được thực hiện theo thứ tự nối tiếp bắt đầu với phát biểu trên cùng của phát biểu quá trình và thực hiện từ trên xuống dưới. Sau khi tất cả các phát biểu đã được thực hiện một lần, quá trình đợi cho đến khi có sự thay đổi tín hiệu hoặc port nằm trong danh sách nhạy. 2. GÁN BIẾN KHÁC VỚI GÁN TÍN HIỆU Phát biểu thứ nhất trong phát biểu quá trình là gán biến – gán giá trị cho biến temp. Ở phần trước chúng ta đã thảo luận về cách các tín hiệu nhận giá trị sau thời gian trì hoãn hoặc sau thời gian trì hoãn delta. Gán biến xảy ra ngay lập tức khi phát biểu được thực hiện. Ví dụ: trong mô hình này, phát biểu thứ nhất phải gán giá trị cho biến temp để phát biểu thứ hai sử dụng. Gán biến không có thời gian trì hoãn, xảy ra ngay lập tức. Chúng ta sẽ khảo sát hai ví dụ minh họa để phân biệt các lệnh gán tín hiệu và gán biến. Cả hai ví dụ đều là mô hình của mạch đa hợp 4 đường sang 1 đường. Kí hiệu và bảng trạng thái như hình 2-9. Một trong 4 ngõ vào được truyền đến ngõ ra tuỳ thuộc vào giá trị của A và B. MUX4 I0 I1 I2 Q I3 A B B A Q 0 0 I0 0 1 I1 1 0 I2 1 1 I3 Hình 2-9. Kí hiệu mạch đa hợp và bảng trạng thái. Mô hình thứ nhất là mô hình không đúng và mô hình thứ hai là mô hình đúng. a. Ví dụ mô hình mạch đa hợp không đúng 78 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Mô hình không đúng của bộ đa hợp có thiếu sót làm cho mô hình hoạt động không đúng. Mô hình này được trình bày như sau: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY mux IS PORT (i0, i1, i2, i3, a, b: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC); END mux; ARCHITECTURE wrong OF mux IS SIGNAL muxval: INTEGER; BEGIN PROCESS (i0, i1, i2, i3, a, b) BEGIN muxval q q q q NULL; END CASE; END PROCESS; END wrong; Khi có 1 trong các tín hiệu ngõ vào nằm trong danh sách nhạy thay đổi giá trị thì các phát biểu tuần tự được thực hiện. Phát biểu quá trình trong ví dụ này chứa 4 phát biểu tuần tự. Phát biểu thứ nhất khởi tạo tín hiệu cục bộ muxval với giá trị ‘0’. Các phát biểu tuần tự con cộng giá trị cho tín hiệu tuỳ thuộc vào của các tín hiệu vào a và b. Phát biểu case cuối cùng lựa chọn một ngõ vào để truyền đến ngõ ra tuỳ thuộc vào giá trị của tín hiệu muxval. Mô hình này có một thiếu sót nghiêm trọng với phát biểu: muxval <=0; làm cho giá trị 0 được sắp xếp như một sự kiện đối với tín hiệu muxval. Thực tế thì giá trị 0 được sắp xếp trong một sự kiện cho thời gian trể delta để mô phỏng bởi vì không có thời gian trì hoãn. Khi phát biểu thứ 2: IF (a = „1‟ ) THEN muxval <= muxval + 1; END IF; Kỹ thuật PLD và ASIC 79
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú được thực hiện, giá trị của tín hiệu muxval là giá trị được truyền ở lần cuối cùng. Giá trị mới đã sắp xếp từ phát biểu thứ nhất chưa được truyền đến. Trong thực tế thì khi nhiều phép gán cho tín hiệu xảy ra trong cùng phát biểu quá trình thì giá trị gán sau cùng là giá trị được truyền. Tín hiệu muxval có giá trị vô nghĩa (không xác định) khi bắt đầu quá trình. Giá trị của muxval không thay đổi cho đến khi các phát biểu nằm trong quá trình được thực hiện xong. Nếu tín hiệu b có giá trị là ‘1’ thì sau đó giá trị vô nghĩa được cộng thêm với 2. Ví dụ tiếp theo sẽ chặt chẻ hơn. Sự khác nhau giữa 2 mô hình của 2 ví dụ là khai báo muxval và phép gán cho mulval. Trong mô hình ví dụ trước, muxval là tín hiệu và phát biểu gán tín hiệu được dùng để gán giá trị cho muxval. Trong mô hình ví dụ này thì muxval là biến và phép gán biến được dùng để gán giá trị cho muxval. b. Ví dụ mô hình mạch đa hợp đúng Trong ví dụ này thì mô hình không đúng ở trên được viết lại để cho thấy cách giải quyết vấn đề của mô hình không đúng: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY mux IS PORT (i0, i1, i2, i3, a, b: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC); END mux; ARCHITECTURE better OF mux IS BEGIN PROCESS (i0, i1, i2, i3, a, b) VARIABLE muxval : INTEGER; BEGIN muxval := 0; IF (a = „1‟ ) THEN muxval := muxval + 1; END IF; IF (b = „1‟ ) THEN muxval := muxval + 2; END IF; CASE muxval IS WHEN 0 => q q q q NULL; END CASE; END PROCESS; END better; Khi phát biểu thứ nhất muxval:=0; được thực hiện thì giá trị 0 được đặt vào cho biến muxval ngay lặp tức. Giá trị không được sắp xếp vì muxval trong ví dụ này là biến, không phải là tín hiệu. Các biến tượng trưng cho ô nhớ lưu trữ cục bộ khác với tín hiệu tượng trưng cho kết nối mạch 80 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú điện bên trong. Ô nhớ lưu trữ cục bộ được cập nhật ngay lập tức và giá trị mới có thể được dùng sau đó trong mô hình cho các tính toán sau đó. Do biến muxval được khởi tạo giá trị 0 ngay lập tức nên hai phát biểu gán trong quá trình dùng giá trị 0 như giá trị khởi tạo và cộng với các con số thích hợp tuỳ thuộc vào tuỳ thuộc vào giá trị của tín hiệu a và b. Các phát biểu gán này cũng được thực hiện ngay lập tức và do đó khi phát biểu case được thực hiện thì biến muxval đã chứa giá trị đúng. Từ giá trị này tín hiệu ngõ vào đúng có thể được truyền đến ngõ ra. 3. CÁC PHÁT BIỂU TUẦN TỰ Các phát biểu tuần tự nằm bên trong phát biểu quá trình và nằm trong các chương trình con. Trong phần này chúng ta sẽ khảo sát các phát biểu tuần tự nằm bên trong phát biểu quá trình. Các phát biểu tuần tự sẽ được trình bày là: IF, CASE, LOOP, EXIT, ASSERT, WAIT. 4. PHÁT BIỂU IF Phát biểu IF cho phép chọn một trong các câu lệnh để thực hiện. Kết quả trả về của mệnh đề điều kiện là giá trị kiểu BOOLEAN. Dựa vào kết quả trả về của mệnh đề điều kiện để cho phép một lệnh có được thực thi hay không. Cú pháp của phát biểu IF như sau if condition then sequential statements; [elsif condition then sequential statements;] [else sequential statements;] end if; Ví dụ 2-13: cho phát biểu IF THEN IF (x < 10 ) THEN a:= b; END IF; Phát biểu được bắt đầu bằng từ khoá IF. Theo sau từ khoá IF là mệnh đề điều kiện (x < 10). Điều kiện trả về true khi x nhỏ hơn 10, ngược lại thì có giá trị false. Khi điều kiện là true thì phát biểu giữa THEN và END IF được thực hiện. Trong ví dụ này thì lệnh phát biểu gán (a:=b) được thực hiện bất kỳ lúc nào x nhỏ hơn 10. Ví dụ 2-14: cho phát biểu IF THEN ELSE: IF (day = sunday ) THEN weekend := true; ELSIF (day = saturday ) THEN weekend := true; ELSE weekday := true; END IF; Trong ví dụ này có hai biến – weekend và weekday – được thiết lập giá trị tuỳ thuộc vào giá trị của tín hiệu day. Biến weekend được thiết lập là true khi day bằng Saturday hoặc Sunday. Ngược lại biến weekday được thiết lập là true. Thực hiện phát biểu IF bắt đầu kiểm tra xem biến day có bằng với Sunday hay không. Nếu kết quả là true thì phát biểu kế được thực hiện và điều khiển được chuyển tới phát biểu nằm sau từ khoá END IF. Kỹ thuật PLD và ASIC 81
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Ngược lại điều khiển được chuyển tới phần phát biểu ELSIF và kiểm tra day có phải là Saturday hay không. Nếu biến day là Saturday thì phát biểu kế được thực hiện và điều khiển được chuyển tới phát biểu nằm sau từ khoá END IF. Cuối cùng nếu day không bằng Sunday và Saturday thì phần phát biểu ELSE được thực hiện. Phát biểu IF có thể có nhiều phần phát biểu ELSIF nhưng chỉ có duy nhất một lần phát biểu ELSE. 5. PHÁT BIỂU CASE Phát biểu CASE được sử dụng khi giá trị của biểu thức duy nhất có thể được dùng để lựa chọn một trong số hoạt động. Cú pháp cho phát biểu CASE như sau: case expression is when choices => sequential statements; when choices => sequential statements; branches are allowed [ when others => sequential statements ]; end case; Kết quả biểu thức là số nguyên, hoặc kiểu liệt kê của mảng một chiều chẳng hạn như bit_vector. Phát biểu case đánh giá biểu thức và so sánh giá trị của biểu thức với mỗi giá trị của các lựa chọn. Mệnh đề when tương ứng với lựa chọn trùng hợp sẽ được thực hiện. Các nguyên tắc sau phải nhớ: Không có 2 lựa chọn trùng lắp (lựa chọn này bao phủ lựa chọn kia). Nếu phát biểu lựa chọn ‚when others‛ không hiện diện thì tất cả giá trị có thể có của biểu thức phải bao phủ hết bởi các lựa chọn. Phát biểu CASE chứa từ khoá CASE theo sau là biểu thức và từ khoá IS. Biểu thức có giá trị tương thích với CHOICES nằm trong phát biểu WHEN hoặc tương thích với phát biểu WHEN OTHERS. Nếu biểu thức tương thích với phần CHOICES của các phát biểu WHEN choices => thì sequence_of_statement theo sau sẽ được thực hiện. Sau khi các phát biểu này được thực hiện xong thì điều khiển chuyển tới phát biểu nằm sau từ khoá END CASE. Ví dụ 2-15: phát biểu case : CASE instruction IS WHEN load_accum => accum data_out process_IO (addr) ; WHEN OTHERS => process_error (instruction); END CASE; Phát biểu CASE thực hiện phát biểu tương ứng tuỳ thuộc vào giá trị của biểu thức ngõ vào. Nếu giá trị của biểu thức là một giá trị nằm trong các giá trị được liệt kê trong các mệnh đề WHEN thì sau đó phát biểu theo sau mệnh đề WHEN được thực hiện. Ngược lại thì phát biểu theo sau mệnh đề OTHERS được thực hiện. Trong ví dụ này khi giá trị của biểu thức là load_accum thì phát biểu gán đầu tiên được thực hiện. Nếu giá trị của biểu thức là load hoặc store thì thủ tục process_IO được gọi. 82 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Nếu giá trị của biểu thức nằm ngoài dãy lựa chọn đã cho thì sau đó mệnh đề OTHERS tương thích với biểu thức và phát biểu theo sau mệnh đề OTHERS được thực hiện. Sẽ phát sinh lỗi nếu không có mệnh đề OTHERS và các lựa chọn đã cho không bao trùm giá trị có thể có của biểu thức. Ví dụ 2-16 với biểu thức có kết quả trả về phức tạp hơn. Phát biểu CASE dùng kiểu dữ liệu này để lựa chọn một trong các phát biểu. Ví dụ 2-16: TYPE vectype IS ARRAY (0 TO 1) OF BIT; VARIABLE bit_vector: vectype; CASE bit_vector IS WHEN “00” => RETURN 0; WHEN “01” => RETURN 1; WHEN “10” => RETURN 2; WHEN “11” => RETURN 3; END CASE; Ví dụ này trình bày một phương pháp chuyển đổi một mảng bit thành một số nguyên. Khi hai bit của biến bit_vec có giá trị ‘0’ thì lựa chọn ‚00‛ tương thích và giá trị trả về là 0. Khi hai bit của biến bit_vec có giá trị ‘1’ thì lựa chọn ‚11‛ tương thích và giá trị trả về là 3. Phát biểu CASE không cần mệnh đề OTHERS vì tất cả các giá trị của biến bit_vec được liệt kê bởi các lựa chọn. 6. PHÁT BIỂU LOOP Phát biểu LOOP được sử dụng để lập lại chuỗi các lệnh tuần tự. Cú pháp cho phát biểu LOOP như sau: [ loop_label :]iteration_scheme loop sequential statements [next [label] [when condition]; [exit [label] [when condition]; end loop [loop_label]; Phát biểu next và exit là các phát biểu tuần tự chỉ có thể được sử dụng bên trong vòng lặp. Phát biểu next chấm dứt phần còn lại của vòng lặp hiện tại và sau đó sẽ lặp lại vòng lặp kế. Phát biểu exit bỏ qua phần còn lại của phát biểu, chấm dứt hoàn toàn vòng lặp và tiếp tục với phát biểu kế sau vòng lặp. Có 3 loại vòng lặp: Vòng lặp loop cơ bản Vòng lặp while loop Vòng lặp for loop a. Phát biểu vòng lặp LOOP cơ bản Kỹ thuật PLD và ASIC 83
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Vòng lặp thực hiện liên tục cho đến khi bắt gặp phát biểu exit hoặc next. Cú pháp như sau: [ loop_label :] loop sequential statements [next [label] [when condition]; [exit [label] [when condition]; end loop [ loop_label]; Vòng lặp cơ bản phải có ít nhất một phát biểu wait. Ví dụ một bộ đếm 5 bit đếm từ 0 đến 31. Khi bộ đếm đạt giá trị 31 thì bộ đếm bắt đầu tràn về 0. Phát biểu wait có chứa trong chương trình để cho vòng lặp sẽ thực hiện mỗi khi xung clock thay đổi từ ‘0’ sang ‘1’. Ví dụ 2-17: sử dụng vòng lặp cơ bản cho mạch đếm từ 0 đến 31. ENTITY count31 IS PORT (CLK: IN STD_LOGIC; Count: OUT INTEGER); END count31; ARCHITECTURE behav_count OF count31 IS BEGIN P_COUNT: PROCESS VARIABLE intern_value : INTEGER :=0; BEGIN Count <= intern_value; LOOP WAIT UNTIL CLK = „1‟; intern_value := (intern_value + 1) mod 32; Count <= intern_value; END LOOP; END PROCESS P_COUNT; END behav_count; b. Phát biểu vòng lặp While – LOOP Vòng lặp while loop đánh giá điều kiện lặp dạng Boolean. Khi điều kiện là TRUE, vòng lặp thực hiện, ngược lại vòng lặp thực hiện liên tục cho đến khi bắt gặp phát biểu exit hoặc next. Cú pháp như sau: [ loop_label :] while condition loop sequential statements [next [label] [when condition]; [exit [label] [when condition]; end loop[ loop_label ]; Điều kiện lặp được kiểm tra trước mỗi lần lặp kể cả lần lặp đầu tiên. Nếu điều kiện là false thì vòng lặp chấm dứt. c. Phát biểu vòng lặp FOR – LOOP: Vòng lặp for loop dùng giản đồ lặp số nguyên để xác định số lần lặp. Cú pháp như sau: [ loop_label :] for identifier in range loop sequential statements [next [label] [when condition]; [exit [label] [when condition]; 84 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú end loop[ loop_label ]; Chỉ số lặp được khai báo tự động bởi chính vòng lặp do đó không cần khai báo riêng lẻ. Giá trị của chỉ số chỉ có thể được đọc bên trong vòng lặp và không có hiệu lực ở ngoài vòng lặp. Không thể gán hoặc thay đổi giá trị của chỉ số lặp. Chỉ số lặp này đối ngược với vòng lặp while – loop khi điều kiện của vòng lặp while-loop có chứa biến và được hiệu chỉnh bên trong vòng lặp. Dãy số của vòng lặp phải là một dãy số nguyên có thể tính toán được ở một trong các dạng sau, trong mỗi dạng thì integer_expression phải là một số nguyên: o integer_expression to integer_expression o integer_expression downto integer_expression d. Phát biểu Next và Exit: Phát biểu next bỏ qua việc thực hiện để đến thực hiện vòng lặp kế của phát biểu vòng lặp. Cú pháp như sau: next [label] [when condition]; Từ khoá when là tuỳ chọn và sẽ được thực hiện phát biểu kế khi điều kiện đánh giá là true. Phát biểu exit bỏ qua phần còn lại của phát biểu, chấm dứt hoàn toàn vòng lặp và tiếp tục với phát biểu kế sau khi vòng lặp bị thoát. Cú pháp như sau: exit [label] [when condition]; Từ khoá when là tuỳ chọn và sẽ được thực hiện phát biểu kế khi điều kiện đánh giá là true. Chú ý: sự khác nhau giữa phát biểu next và exit là phát biểu exit chấm dứt vòng lặp. Ví dụ 2-18: Minh hoạ cho vòng lặp next PROCESS (A, B) CONSTANT max_limit: INTEGER :=255; BEGIN FOR i IN 0 TO max_limit LOOP IF (done(i) = true ) THEN next; ELSE done(i) := true; END IF; q(i) <= a(i) and b(i); END LOOP; END PROCESS; Phát biểu quá trình chứa một phát biểu vòng lặp LOOP. Phát biểu LOOP là and các bit của mảng a và mảng b và đặt kết quả vào mảng q. Mô tả hành vi tiếp tục cho đến khi nào cờ trong mảng done là false. Nếu giá trị của cờ done là true với chỉ số i thì phát biểu next được thực hiện. Việc thực hiện tiếp tục với phát biểu đầu tiên của vòng lặp và chỉ số i bây giờ có giá trị là i + 1. Nếu giá trị của cờ done là false thì phát biểu next không được thực hiện và việc thực hiện tiếp tục với phát biểu chứa trong mệnh đề ELSE cho phát biểu IF. Kỹ thuật PLD và ASIC 85
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Phát biểu next cho phép người thiết kế khả năng ngừng việc thực hiện các lệnh của vòng lặp và tiếp tục với vòng lặp tiếp theo. Có một số trường hợp khác thì cần thoát khỏi vòng lặp thì khả năng này được thực hiện bởi phát biểu EXIT. Trong thời gian thực thi một phát biểu LOOP, có thể ta cần nhảy ra khỏi vòng lặp. Điều này có thể xảy ra do một lỗi quan trọng xuất hiện trong thời gian thực thi mô hình hoặc toàn bộ việc xử lý kết thúc sớm. Phát biểu EXIT của VHDL cho phép người thiết kế thoát hoặc nhảy ra khỏi một phát biểu LOOP hiện đang thực thi. Phát biểu EXIT làm cho việc thực thi dừng ở vị trí của phát biểu này. Việc thực thi sẽ tiếp tục ở phát biểu theo sau phát biểu LOOP. Ví dụ 2-19: Minh hoạ cho vòng lặp exit PROCESS (A) CONSTANT int_a: INTEGER; BEGIN Int_a := a; FOR i IN 0 TO max_limit LOOP IF (int_a <0 ) THEN exit; ELSE (int_a := int_a - 1); q(i) <= 3.14 / REAL (int_a* i); signal assign END IF; END LOOP; y <= q; END PROCESS; Bên trong phát biểu của quá trình này, giá trị của int_a luôn luôn được giả định là giá trị dương lớn hơn 0. Nếu giá trị của int_a âm hoặc bằng 0 thì sinh ra lỗi và việc tính toán sẽ không được hoàn tất. Nếu giá trị của int_a nhỏ hơn hoặc bằng 0 thì phát biểu IF là đúng và phát biểu EXIT sẽ được thực thi. Vòng lặp kết thúc ngay lập tức và phát biểu kế tiếp được thực thi chính là phát biểu gán cho y sau phát biểu LOOP. Phát biểu EXIT có 3 loại cơ bản. Loại thứ nhất yêu cầu phát biểu EXIT không có nhãn vòng lặp hoặc WHEN condition. Nếu các điều kiện này đúng, phát biểu EXIT sẽ hoạt động như sau: phát biểu EXIT chỉ thoát khỏi phát biểu LOOP hiện tại. Nếu phát biểu EXIT ở bên trong một phát biểu LOOP và phát biểu LOOP này được lồng trong một phát biểu LOOP khác, phát biểu EXIT chỉ thoát khỏi phát biểu LOOP bên trong. Việc thực thi vẫn duy trì trong phát biểu LOOP bên ngoài. Phát biểu EXIT chỉ thoát khỏi phát biểu LOOP gần nhất. Ví dụ 2-20: Minh hoạ PROCESS (a) BEGIN First_loop: FOR i IN 0 TO 100 LOOP second_loop: FOR j IN 0 TO 10 LOOP . Exit second_loop; exit the second loop only . Exit first_loop; exit the first loop and second loop END LOOP; 86 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú END LOOP; END PROCESS; Nếu phát biểu có thêm điều kiện WHEN thì phát biểu EXIT chỉ thoát khỏi vòng lặp khi điều kiện là TRUE. Phát biểu kế được thực hiện tuỳ thuộc vào điều kiện của phát biểu EXIT có nhãn chỉ định hay không. Nếu nhãn của vòng lặp được chỉ định thì phát biểu kế được thực hiện thì chứa trong phát biểu LOOP chỉ định bởi nhãn vòng lặp. Nếu không có nhãn thì phát biểu kế được thực hiện thì nằm ở vòng lặp kế bên ngoài. Ví dụ 2-21: cho phát biểu EXIT với điều kiện WHEN Exit first_loop WHEN (i < 10); Phát biểu này kết thúc việc thực hiện của vòng lặp có nhãn là first_loop khi biểu thức i < 10. Phát biểu EXIT cung cấp một phương pháp dễ dàng và nhanh chóng để thoát khỏi phát biểu LOOP khi toàn bộ công việc xử lý kết thúc hoặc một lỗi hay cảnh báo xảy ra. 7. PHÁT BIỂU ASSERT Phát biểu ASSERT là phát biểu rất hữu ích để báo cáo chuỗi văn bản đến người thiết kế. Phát biểu ASSERT kiểm tra giá trị của một biểu thức logic xem đúng hay sai. Nếu giá trị là đúng, phát biểu này không làm gì cả. Nếu giá trị là sai, phát biểu ASSERT xuất một chuỗi dạng văn bản được chỉ định bởi người sử dụng đến ngõ ra chuẩn của thiết bị đầu cuối. Người thiết kế cũng có thể chỉ ra mức độ nghiêm trọng để xuất chuỗi dạng văn bản. Theo trình tự tăng dần của mức độ nghiêm trọng ta có 4 mức: chú ý, cảnh báo, lỗi và thất bại. Mức độ nghiêm trọng cung cấp cho người thiết kế khả năng phân loại thông điệp thành các loại thích hợp. Phát biểu ASSERT được sử dụng chủ yếu để quản lý khi viết mô hình, không có phần cứng nào được xây dựng. Cú pháp: assert_statement ::= ASSERT condition [REPORT expression]; Từ khóa ASSERT được theo bởi một biểu thức có giá trị logic được gọi là một điều kiện (condition). Điều kiện này xác định biểu thức dạng văn bản được phép xuất ra hay không bởi phát biểu REPORT. Nếu sai, biểu thức dạng văn bản được xuất, còn nếu đúng, biểu thức dạng văn bản không được xuất. Chúng ta khảo sát ví dụ thực tế cho phát biểu ASSERT, ví dụ này thực hiện việc kiểm tra thiết lập dữ liệu giữa hai tín hiệu điều khiển flip flop D. Hầu hết các flip flop yêu cầu dữ liệu ngõ vào din phải ở giá trị ổn định với một khoảng thời gian xác định trước khi có cạnh xung clock xuất hiện. Thời gian này được gọi là thời gian thiết lập và đảm bảo rằng dữ liệu vào din sẽ được chốt vào bên trong flip flop. Ví dụ 2-22 về phát biểu ASSERT tạo ra thông báo lỗi cho người thiết kế biết nếu thời gian thiết lập không đủ hay bị vi phạm. Ví dụ 2-22: PROCESS (clk, din) Kỹ thuật PLD và ASIC 87
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú VARIABLE last_d_change: TIME :=0 ns; VARIABLE last_d_value : STD_LOGIC :=‟X‟; VARIABLE last_clk_value: STD_LOGIC :=‟X‟; BEGIN IF (last_d_value /= din) THEN /= is not equal last_d_change : = NOW; last_d_value : = din; END IF; IF (last_clk_value /= clk) THEN last_clk_value: = clk; IF (clk= „1‟) THEN ASSERT (NOW – last_d_change >= 20ns) REPORT “setup violation” SEVERITY WARNING; END IF; END IF; END PROCESS; Quá trình dùng 3 biến cục bộ để ghi lại thời gian và giá trị sau cùng của tín hiệu din cũng như giá trị của tín hiệu clk. Do lưu trữ giá trị sau cùng của clk và din nên chúng ta có thể xác định xem tín hiệu có thay đổi giá trị hay không. Bằng cách ghi lại thời gian sau cùng mà tín hiệu din thay đổi nên chúng ta có thể đo được thời gian hiện tại so với lần chuyển trạng thái sau cùng của din, từ đó chúng ta sẽ biết được thời gian thiết lập có bị vi phạm hay không. Bước thứ nhất trong quá trình là kiểm tra xem tín hiệu din có thay đổi hay không. Nếu có thay đổi thì thời gian của chuyển đổi được lưu lại dùng hàm NOW. Hàm này trả về thời gian mô phỏng hiện tại. Tương tự, giá trị sau cùng của din cũng được lưu trữ cho việc kiểm tra sau này. Bước tiếp theo là kiểm tra xem tín hiệu clk có chuyển trạng thái hay không. Nếu biến last_clk_value không bằng với giá trị hiện tại của clk thì sẽ có sự chuyển trạng thái xảy ra. Nếu tín hiệu clk là ‘1’ thì xem như đã có cạnh lên của xung clk. Khi có cạnh lên của xung clk thì chúng ta cần kiểm tra xem thời gian thiết lập có bị vi phạm hay không. Nếu lần chuyển sau cùng của tín hiệu d nhỏ hơn 20 ns thì biểu thức: NOW – last_d_change Trả về giá trị nhỏ hơn 20ns. Phát biểu ASSERT bị kích và gởi ra thông tin thời gian thiết lập bị vi phạm cảnh báo đến người thiết kế. Nếu lần chuyển trạng thái sau cùng trên tín hiệu d xảy ra dài hơn 20 ns thì biểu thức trên sẽ trả về kết quả với giá trị lớn hơn 20 ns và phát biểu ASSERT không bị kích. 8. PHÁT BIỂU WAIT Phát biểu WAIT cung cấp cho người thiết kế khả năng dừng tạm thời việc thực thi tuần tự của một quá trình hoặc một chương trình con. Các điều kiện để tiếp tục việc thực thi quá trình hoặc chương trình con tạm dừng có thể được thực hiện bằng một trong 3 cách như sau: WAIT ON (chờ) các thay đổi tín hiệu. WAIT UNTIL (chờ cho đến khi) một biểu thức là đúng. 88 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú WAIT FOR (chờ trong) một khoảng thời gian cụ thể. Các phát biểu WAIT có thể được sử dụng cho một số mục đích khác nhau. Hiện nay lệnh WAIT được dụng phổ biến nhất là dùng để chỉ ra các ngõ vào xung clock cho các công cụ tổng hợp. Phát biểu WAIT chỉ định xung clock cho phát biểu quá trình được đọc bởi các công cụ tổng hợp nhằm tạo ra mạch logic tuần tự chẳng hạn như các thanh ghi và các flip flop. Các công dụng khác là trì hoãn việc thực thi quá trình trong một khoảng thời gian hoặc hiệu chỉnh danh sách nhạy của một quá trình. Chúng ta khảo sát phát biểu quá trình sử dụng phát biểu WAIT được dùng để tạo mức logic tuần tự: PROCESS (clock, d) BEGIN WAIT UNTIL clock = „1‟ AND clock‟EVENT; q <= d; END PROCESS; Quá trình này dùng để phát hiện xung clock cạnh lên của flip flop. Thuộc tính ’EVENT đi cùng với xung clock là true khi ngõ vào xung clock có thay đổi. Tổ hợp của 2 điều kiện là xung clock có giá trị ‘1’ và xung clock có thay đổi nên có thể xem như xung clock vừa xuất hiện xung cạnh lên. Kết quả của quá trình này là đợi hoặc chờ phát biểu WAIT cho đến khi xuất hiện xung clock cạnh lên và giá trị của d được gán cho ngõ ra q. Thêm chức năng reset đồng bộ cho ví dụ trên như sau: PROCESS (clock, d) BEGIN WAIT UNTIL clock = „1‟ AND clock‟EVENT; IF (reset = „1‟) THEN q <= „0‟; ELSE q <= d; END IF; END PROCESS; Trong ví dụ trên thì khi có xung clock thì tín hiệu reset được kiểm tra trước: nếu tín hiệu reset tích cực thì gán giá trị ‘0’ cho ngõ ra q, ngược lại thì gán tín hiệu d. Chức năng reset không đồng bộ cũng được thực hiện như sau: PROCESS (clock, d) BEGIN IF (reset = „1‟) THEN q <= „0‟; ELSE clock‟EVENT AND clock = „1‟ THEN q <= d; END IF; WAIT ON reset, clock; END PROCESS; Quá trình này chứa phát biểu WAIT ON sẽ làm cho quá trình ngừng thực hiện cho đến khi có một trong hai sự kiện reset hoặc xung clock thay đổi. Sau đó phát biểu IF được thực hiện và nếu tín hiệu reset là tích cực thì flip flop bị reset bất đồng bộ, ngược lại xung clock được kiểm tra để phát hiện cạnh lên và nếu đúng thì sẽ chuyển trạng thái ngõ vào d cho ngõ ra q. Kỹ thuật PLD và ASIC 89
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Phát biểu WAIT cũng có thể được sử dụng để điều khiển các tín hiệu của quá trình hay chương trình con nhạy với bất kỳ điểm nào trong khi thực hiện chương trình. Ví dụ 2-23: PROCESS BEGIN WAIT ON a; WAIT ON b; END PROCESS; a. Phát biểu WAIT ON signal Ví dụ về phát biểu này đã được trình bày ở trên, phát biểu WAIT ON chỉ định một danh sách một hoặc nhiều tín hiệu mà phát biểu WAIT sẽ đợi chờ sự thay đổi. Nếu có tín hiệu nào thay đổi thì việc thực hiện sẽ được tiếp tục với phát biểu nằm sau phát biểu WAIT. Ví dụ 2-24: WAIT ON a, b; Khi một trong hai sự kiện xảy ra cho a hoặc b thì quá trình sẽ tiếp tục với phát biểu tiếp theo phát biểu WAIT. b. Phát biểu WAIT UNTIL expression Mệnh đề WAIT UNTIL boolean_expression sẽ ngừng quá trình thực hiện cho đến khi kết quả trả về của biểu thức là true. Phát biểu này thiết lập một danh sách nhạy các tín hiệu được dùng trong biểu thức. Khi bất kỳ tín hiệu nào trong biểu thức thay đổi thì biểu thức được đánh giá. Biểu thức trả về kết quả kiểu Boolean: khi kết quả là true thì quá trình thực hiện sẽ tiếp tục với phát biểu theo sau lệnh WAIT. Ngược lại thì quá trình sẽ tiếp tục ngừng. Ví dụ 2-25: WAIT UNTIL ((x*10) < 100); Trong ví dụ này thì khi x lớn hơn hay bằng 10 thì quá trình tiếp tục ngừng và chỉ thực hiện lệnh tiếp theo khi x nhỏ hơn 10. c. Phát biểu WAIT FOR time_expression Mệnh đề WAIT FOR time_expression sẽ ngừng quá trình thực hiện trong một khoảng thời gian được chỉ định bởi biểu thức thời gian. Sau khi thời gian được chỉ định trong biểu thức đã hết thì quá trình tiếp tục với phát biểu nằm sau lệnh WAIT. Ví dụ 2-26: WAIT FOR 10 ns; WAIT FOR (a * (b * c)); Phát biểu thứ nhất thì biểu thức chỉ đơn giản là hằng số. Phát biểu thứ hai thì biểu thức thời gian là một biểu thức phải được tính toán trước và trả về là giá trị thời gian. Sau khi giá trị này đã được tính toán thì phát biểu WAIT sẽ dùng giá trị thời gian này làm thời gian đợi. d. Phát biểu WAIT với nhiều sự kiện Phát biểu WAIT với nhiều điều kiện với ví dụ 2-27 như sau: 90 Kỹ thuật PLD và ASIC
Chương 2. Ngôn ngữ lập trình VHDL SPKT – Nguyễn Đình Phú Ví dụ 2-27: WAIT ON nmi, interrupt UNTIL ((nmi = true) or (interrupt = true) ) FOR 5 usec; Phát biểu này đợi một sự kiện trên các tín hiệu nmi và interrupt và chỉ tiếp tục nếu interrupt hoặc nmi là true hoặc cho đến hết thời gian 5µs. Chỉ khi một hoặc nhiều điều kiện trên là true thì quá trình thực hiện mới tiếp tục. Hãy xem ví dụ 2-28: Ví dụ 2-28: WAIT UNTIL (interrupt = true ) OR (old_clk = „1‟); Phải chắc chắn có ít nhất một giá trị trong biểu thức chứa tín hiệu – điều này là cần thiết để đảm bảo phát biểu WAIT không phải chờ đợi mãi. Nếu cả hai interrupt và old_clk đều là biến thì phải biểu WAIT không phải đánh giá lại khi hai biến này thay đổi giá trị. Chỉ cần 1 tín hiệu thay đổi sẽ làm cho phát biểu WAIT hoặc các phát biểu gán tín hiệu đồng thời đánh giá lại. VI. CÁC KIỂU ĐỐI TƯỢNG TRONG VHDL Các đối tượng của VHDL chứa một trong các kiểu sau: Signal: tượng trưng cho các dây dẫn kết nối bên trong dùng để kết nối các port của các thành phần với nhau. Variable: được dùng như một ô nhớ cục bộ để lưu dữ liệu tạm thời chỉ nhìn thấy được bên trong quá trình. Constant: là khai báo hằng số. 1. KHAI BÁO TÍN HIỆU (SIGNAL): Kiểu tín hiệu được sử dụng để kết nối các thực thể lại với nhau để tạo ra một module. Signal là phương thức truyền các tín hiệu động giữa các thực thể với nhau. Kiểu signal được khai báo như sau: SIGNAL signal_name: signal_type[:=initial_value]; Theo sau từ khoá SIGNAL là một hoặc nhiều tên tín hiệu. Với mỗi tên tín hiệu sẽ tạo ra một signal mới. Phân biệt tên với loại tín hiệu bằng dấu ‘:’. Loại tín hiệu chỉ định loại dữ liệu của thông tin chứa trong tín hiệu. Cuối cùng thì tín hiệu có thể chứa một giá trị bắt đầu (giá trị khởi gán) để cho giá trị tín hiệu có thể được khởi động. Các tín hiệu có thể được khai báo trong phần khai báo của thực thể, trong kiến trúc và trong khai báo gói. Các tín hiệu trong khai báo gói được xem như các tín hiệu toàn cục. Ví dụ 2-29: về khai báo tín hiệu như sau: LIBRARY IEEE; USE IEEE.std_logic_1164.ALL; ENTITY mux IS PORT (i0, i1, i2, i3, a, b: IN STD_LOGIC; q: OUT STD_LOGIC); END mux; PACKAGE sigdecl IS TYPE bus_type IS ARRAY (0 to 7) OF std_logic; Kỹ thuật PLD và ASIC 91