Cours en ligne VHDL

Préambule

Objectifs

VHDL est un langage typé où il est obligatoire de spécifier le type des objets utilisés. Le tableau ci dessous illustre la classification des types du langage VHDL :

L'objectif de ce chapitre est de vous présenter les types et les opérateurs. A l'issue de ce chapitre, vous serez en mesure de choisir le meilleur type pour l'objet que vous voulez modéliser.

Plan du chapitre.

• Types entiers
    C'est le type de base, sur 32 bits
  
  
• Types énumérés
    Les types Booléens et bits  font partie de cette catégorie.
  
  
• Types tableau
    Indispendables pour représenter des vecteurs, des matrices, des mémoires.
  
  
• Types fichiers
   Servent à effectuer des tests en lisant et/ou générant des données contenues dans ces fichiers.
  
  
• Autres types
      Une vue d'ensemble des autres types définis dans les bibliothèques standards.
  
  
• Attibuts
      Permettent de consulter les caractéristiques des types ou d'objets déclarés. Il est possible de déclarer ses propres attributs.
  
  
• Opérateurs
      La palette d'opérateurs standards.

• IEEE
      Bibliothèque utilisée par tous les outils de synthèse et permettant de travailler sur des types logiques à 9 états.
  
  
• Résumé

Remarque importante

TYPES ENTIERS

Le type entier integer prédéfini dans le paquetage standard STD permet de définir des nombres signés sur 32 bits entre -2^-31 et 2³¹ - 1  . 

Un sous type subtype permet de déclarer un type héritant des propriétés du type père.

Il existe 2 "sous types" subtype associés à INTEGER : les entiers naturels et les entiers positifs. Leur déclaration dans le paquetage STD est la suivante :

subtype natural is integer range 0 to integer'high;
subtype positive is integer range 1 to integer'high

Notez que 

1. range permet d'indiquer l'intervalle 
2. 'HIGH indique la plus grande valeur du type INTEGER, c'est un attribut de type

subtype UN_A_DIX is natural range (1 to 10);
subtype DIX_A_UN is natural range (10 downto 1);

type UN_A_DIX is natural range (1 to 10);
type DIX_A_UN is natural range (10 downto 1);

Types ENUMERE

type COULEURS is (ROUGE, JAUNE, BLEU, VERT, ORANGE);

type boolean is (FALSE, TRUE);
type bit is ('0', '1');
type severity_level is (NOTE, WARNING, ERROR, FAILURE);
type character is ( NUL, SOH, STX, ETX,..., '0','1', ...);

type std_ulogic is ('U', 'X, 'O', '1', 'Z', 'W', 'L', 'H', '-');

• Au démarrage les signaux sont dans un état inconnu 'U'.
• 'X' indique un conflit, le signal est affecté d'un côté à '1' et d'un autre à '0'.
• '0' et '1' correspondant aux valeurs booleennes du signal.
• 'Z' correspond à l'état haute 'impédance".
• 'W' est la valeur d'un signal relié à 2 résistances de tirage, une tirant à 0 et l'autre à 1.
• 'H' et 'L'  sont des valeurs d'un signal relié respectivement à une résistance de tirage à 1 et à 0.
• '-' est un état indifférent. Utile pour décrire les tables de vérité.

TYPES TABLEAU

Les types TABLEAU ou array sont des collections d'objets de même type, indéxés par des entiers ou des énumérés.

Exemples :

type bus is array (0 to 31) of bit;
type RAM is array (0 to 1024, 0 to 31) of bit;
type PRIX is ranger 0 to 1000;
type COULEURS is (BLANC, BLEU, VERT, ROUGE, JAUNE, NOIR, ARC_EN_CIEL);
type PRIX_PEINTURES is array (COULEUR range BLANC to NOIR) of PRIX;

Un tableau peut avoir une taille inconnue donc non contraint, par exemple le type BIT_VECTOR de la bibliothèque STD est  un tableau de dimension 1 (vecteur) de taille quelconque :

type bit_vector is array (natural range <>) of bit;

type std_ulogic_vector is array (natural range <>) of std_logic_vector;

signal toto bit_vector(31 downto 0);
signal titi std_ulogic_vector(7 downto 0);

type TAB1 is array(0 to 2) of bit_vector(7 downto 0);
type TAB2 is array(0 to 3, 1 to 8) of bit;
signal A : TAB1;
signal B : TAB2;
--
begin
--tableau de tableau
 A(0) <="01001111";
 A(2)(5) <= '1';
-- tableau à 2 dimensions
 B(3,5) <= '0';
--
end exemple;

 Notation d'agrégat

type OPTYPE is (ADD,SUB,MUL,DIV,BRA);
type T is array ( 1 to 10) of OPTYPE;
signal A : T;
--
A <= (ADD,SUB,MUL,DIV,BRA);
A <= (ADD,SUB,5=>BRA,4=>DIV,3=>MUL);
A <= (ADD,2|4=>SUB,others => DIV);
--

TYPES FICHIERS 

Les types fichiers FILE permet l'échange de données entre l'extérieur et le simulateur VHDL. Il est utilisé principalement pour créer des fichiers de test ou TESTBENCH de modèles.

LECTURE: process
 variable L: line;	-- le type LINE est un pointeur
 file ENTREES: text open READ_MODE is "entrees.dat";	-- fichier spécifié
 variable A: bit_vector(7 downto 0);	 -- variables à lire
 variable B: natural range 0 to 11;
begin
 readline(ENTREES, L);	-- lecture d'une nouvelle ligne dans le fichier
 read(L, A);	-- lecture dans la ligne du 1er symbole => BIT
 VA <= A;	-- utilisation pour la simulation
 read(L, B);	-- lecture dans la ligne du 2ème symbole => entier
 VB <= B;	-- utilisation pour la simulation
 wait for 20 ns;	-- attente de 20 ns;
end process LECTURE;
--
ECRITURE: process(S)
 variable L: line;
 file SORTIES: text open WRITE_MODE is "sorties.dat";
begin
 write(L, S);	-- écriture de S dans la ligne
 write(L, string'(" à t = "));		-- écriture de texte dans la ligne
 write(L, now);	-- écriture du temps de simulation dans la ligne
 writeline(SORTIES, L); -- écriture de la ligne dans le fichier
end process ECRITURE;

AUTRES TYPES

Types réels

Types physiques

VHDL permet de définir des types physiques pour représenter une grandeur physique, comme le temps, la tension, etc... 

Un type physique est la combinaison d'un type entier et d'un système d'unité.
Le type TIME, est le seul type physique prédéfini :

type time is range $- to $+  -- l'intervalle dépend de la machine
units
  fs;
  ps = 1000 fs;
  ns = 1000 ps;
  us = 1000 ns;
  Ms = 1000 us;
  sec = 1000 ms;
  min = 60 sec;
  hr = 60 min;
end units;

Les simulateurs VHDL utilsent la fonction now, de la bibliothèque STD , qui retourne le temps physique de type TIME.

Type STRING

Ce type permet de définir les chaînes de caractères.  Il est définit comme un tableau d'éléments de type CHARACTER dans la bibliothèque STD.

type string is array (positive range <>) of character;
--
"ceci est une chaîne de caractère"

Type enregistrement RECORD

Ce type permet de définir un objet dont les composantes sont hétérogènes.

type OPTYPE is (MOV, ADD, SUB, JMP, CALL)
type INSTRUCTION is record
--
    OPCODE : OPTYPE;
    ADR : bit_vector(7 downto 0);
    OP2 : bit_vector(7 downto 0);
--
end record;

L'affectation d'un objet de type RECORD  peut s'effectuer de différentes façons :

signal INST1 : INSTRUCTION;
signal INST2 : INSTRUCTION:
--
begin
--
INST1 <= (MOV, "00011100", X"FF");
INST2.ADR <= X"8A";
--
end;

Type pointeur ACCESS

ATTRIBUTS

Il s'agit de caractéristiques de types ou d'objet qu'il est possible d'utiliser dans le modèle. Ils sont représentés de cette façon :

<OBJET>'<ATTRIBUT>

Il existe des attributs sur les types, sur les objets de type tableau  et sur les signaux. 

Il est possible de créer ces propres attributs. Certains outils de synthèse en tirent profit pour passer des arguments de synthèse.

Attributs sur les types 

type COULEUR is (BLEU, ROUGE, VERT);
--
COULEUR'left renvoie BLEU
COULEUR'right renvoie VERT
COULEUR'pos(BLEU) renvoie 0
COULEUR'val(0) renvoie BLEU
COULEUR'succ(BLEU) renvoie ROUGE
COULEUR'pred(ROUGE) renvoie BLEU

Attributs sur les objets de type tableau

type MOT is bit_vector(7 downto 0);
type TAB is array (4 downto 0) of MOT;
signal NOM : MOT;
signal TABLEAU : TAB;

Attributs sur les signaux

Attributs définis par le concepteur

OPERATEURS

Les opérateurs prédifinis en VHDL sont classiques. Ils ne portent que sur les types prédéfinis, BOOLEAN, BIT, INTEGER. Il faut donc définir une surcharge d'opérateur lorsqu'il s'agit d'effectuer des opérations sur un nouveau type. 

Il faut noter l'absence du xnor et la différence entre REM et MOD pour exprimer le reste de la division.