Cours VHDL

VHDL
Structures de bases
Synthèse d’opérateurs standards
Présentation
Electronique reprogrammable
 Apparition des premiers circuits vers les années 70: premiers PLD-> PAL, GAL
 Evolution vers composants plus complexes: CPLD, FPGA
 Différentes technologies pour la programmation des connexions
 Permanents , Volatiles statiques, Volatiles
 Capacité de programmation In-Situ
•
composants dits ISP via interface JTAG
 Contexte de compétitivité mondiale
 Importance du Time-To-Market
2
Connexions programmables
Introduction
 Deux formes canoniques pour les équations logiques
 Somme de produits S=a.b+ c.d
 Produits de somme S=(z+f).(e +x)
Connexions programmables
ET cablé
Représentation
standard
OU cablé
Constitution d’un réseau
programmable
3
xPLD
Simple Programme Logic Device
 Composants simples
 réseau ET/OU programmable ou fixe
 PAL (OTP en général), GAL reprogrammable
Différentes familles en
fonction des ressources
rajoutés par le constructeurs
4
FPGA
Field Programmable Grid Array
 Granularité plus fine que les CPLD ( macrocellules - complexes mais + nombreuses)
 Intégration matérielle de composants supplémentaires




RAM: appelé LUT (Look-Up Table)
Mutiplexeurs divers
PLL
Multiplieurs câblés (FPGA haut de gamme => concurrence avec les DSP)
 Réseau de routage réparti ( non centralisé contrairement Répartition
aux CPLD)des applications
Source Altera
Exemple de référence
Famille Cyclone (FPGA Low Cost
d’ALTERA)
Concurrent: Spartan3 (chez Xilinx)
5
FPGA
La carte DE2 (utilisé en TP)
Specifications
FPGA
• Cyclone II EP2C35F672C6 FPGA and
EPCS16 serial configuration device
I/O Devices
• Built-in USB Blaster for FPGA configuration
• 10/100 Ethernet, RS-232, Infrared port
• Video Out (VGA 10-bit DAC)
• Video In (NTSC/PAL/Multi-format)
• USB 2.0 (type A and type B)
• PS/2 mouse or keyboard port
• Line-in, Line-out, microphone-in
(24-bit audio CODEC)
• Expansion headers (76 signal pins)
Memory
• 8-MB SDRAM, 512-KB SRAM, 4-MB Flash
• SD memory card slot
Switches, LEDs, Displays, and Clocks
• 18 toggle switches
• 4 debounced pushbutton switches
• 18 red LEDs, 9 green LEDs
• Eight 7-segment displays
• 16 x 2 LCD display
• 27-MHz and 50-MHz oscillators, external SMA clock input6
VHDL introduction
Programmation ou description?
 Les objectifs du langage VHDL
 Conception de circuits intégrés reconfigurable ou non (ASIC, FPGA…) : SYNTHESE
 Mise au point de modèle de simulations numériques (circuits virtuels) : MODELISATION
 Le langage est capable de DECRIRE
 des comportements CONCURRENTS ( // )
 Des comportements séquentiels
Synthèse ou modélisation
Les deux portes
travaillent en //
Nous nous
focaliserons
dans ce cours à
la synthèse
uniquement
Notre cible en
TP: FPGA
Cyclone 2 sur
la carte DE2
7
VHDL: concepts de base
Structure générale
Votre fichier texte de
description: xxx.vhd
Mode transfert des
signaux de votre
entity
8
Flot de conception
Un outils de développement: Quartus II d’Altera
9
VHDL: concepts de base
Méthodologie de conception
 Guide pratique du débutant
 Décomposition du cahier des charges en fonctions élémentaires
 Classification de la fonction
• COMBINATOIRE: instructions dites concurrentes
• SEQUENTIELLE: utilisation d’un PROCESS
Logique combinatoire
Logique séquentielle
La sortie ne dépend pas de l’état passé
La sortie dépend de son état passé
Un vecteur d’entrée = un vecteur de sortie unique
Système nécessitant une horloge (systèmes dits
synchrones)
Des exemples:
•Multiplexeurs
•Additionneurs
•Décodeur 7 segements
•Encodeurs de priorité
Des exemples:
•Compteurs
•Registres à décalage
•Machine d’état (automate)
10
VHDL: concepts de base
Les questions à se poser
 On identifie les fonctions et on les dessine sur papier
 On repère et nomme les entrées de chaque blocs ( on évite d’utiliser les mêmes
noms)
 On répertorie les signaux INTERNES (mot clé SIGNAL)
 Le bloc est-il combinatoire ou séquentiel?
 Si séquentiel alors description avec le mot clé PROCESS + instructions autorisées
 Le bloc est-il utilisé plusieurs fois
 Si oui il vaut mieux créer un composant (entity+ architecture)
 Sinon le bloc est synthétiser par les lignes de codes directement
Voir page 12
pour plus de
détails
Exemple: faire une porte ET 4entrée avec des ET 2 entrées
Il faut un
SIGNAL
ET4 est un
composant
(entity+architecture)
On créera 1 composant
ET2 (entity+architecture)
Utilisé 3 fois pour décrire
ET4
11
VHDL: concepts de base
Un autre exemple: Horloge BCD 2 digits
 Blocs décodeurs 7 segments - combinatoire
 Blocs compteurs – séquentiel
 Les Blocs compteurs sont cascadé pour la propagation de la retenue
 Après 9 j’ai 0 avec un de retenue! Affichage 10
Ce fil ne sort pas du composant de plus
haut niveau: on le déclarera
SIGNAL FILS: bit_vector(3 downto 0);
Séquentiel donc process
COMPT:
PROCESS(CLK)
Begin
….
END PROCESS;
Sorties pilotant
les Leds de
l’afficheur 1
12
VHDL: concepts de base
Les librairies
 Facilite la tâche du concepteur
 Rajout de fonctionnalités supplémentaires
La librairie IEEE
 A mettre au début de votre description
 Pour rajouter les types étendues std_logic et std_logic_vector
 use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
 DORENAVANT nous remplacerons SYSTEMATIQUEMENT
 BIT par STD_LOGIC
 BIT_VECTOR par STD_LOGIC_VECTOR
 Pour utiliser des fonctions arithmétiques sur ces STD_LOGIC_VECTOR
 USE IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
 Et aussi USE IEEE.std_logic_arith.all;
Exemples
Applicatifs
•
•
•
Q<=Q+1; -- Q étant par exemple un std_logic_vector et 1 est un entier!!
A<B -- A et B des std_logic_vector
oData<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR(TEMP,8); avec TEMP integer range 0 to 255;
13
VHDL: concepts de base
Complément sur les opérations arithmétiques

Le rajout de use IEEE.numeric_std.all; permet
 De travailler avec des valeurs signées et non signées
•
•
signal A,B: signed(3 downto 0);
signal tempo: unsigned(3 downto 0);
 De convertir un std_logic_vector en signed ou unsigned
•
•
A<= signed(SW(3 downto 0));
B<=unsigned(RES);
 De convertir des signed ou unsigned en std_logic_vector
•
LEDG(3 downto 0)<=std_logic_vector(tempo);
 De redimensionner des vecteurs
•
•
Permet d’étendre le bit de signe correctement!
signal A,B: signed(LARG downto 0);
A<= resize(signed(SW(LARG downto 1)),LARG+1);
IEEE.std_logic_unsigned.all et
IEEE.std_logic_arith.all sont d’anciennes
bibliothèques
Ne pas mettre en même temps:
IEEE.numeric_std.all;
IEEE.std_logic_arith.all;
Préfèrez l’emploi de IEEE.numeric_std.all;
 De travailler avec les opérateurs arithmétiques standart
•

>, >=, =<,<, + ,- etc….
Le rajout de use IEEE.std_logic_unsigned.all; permet
 De travailler avec les opérateurs arithmétiques standart
 de mélanger des entiers avec des std_logic_vector: A<= A +1;
Alternative à resize
A<=resize(signed(SW(LARG downto 1)),LARG+1);
Recopie du bit bit de poids forts
A<= A(3)&A
14
VHDL: concepts de base
Littéraux





Caractères: ’0’, ’x’,’a’,’%’
Chaînes: ”11110101”,”xx”,”bonjour”,”$@&”
Chaînes de bits: B”0010_1101”, X ”2D”, O ”055”
Décimaux:27, -5, 4e3, 76_562, 4.25
Basés: 2#1001#, 8#65_07, 16#C5#e2
Les opérateurs
 Logiques (boolean, bit, std_ulogic)
 AND, OR, NAND, NOR, XOR, NOT
 Relationnels ( retournent un boolean)
Ne pas confondre 1 bit
exemple ‘0’ ou ‘1’
Avec un vecteur de bits
” 11 ” ou ” 1101110 ”
Un bus (ou ensemble
de fils électrique) est
représenté sous forme
d’un vecteur de bits
 = /= < <= > >=
 Arithmétiques
 + -
*
/
** MOD
REM
 Concaténations d’éléments de tableaux &
 "bon" & "jour" => "bonjour"
STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
15
Logique combinatoire: Instructions concurrentes
Assignation simples
Exemple 1
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
--librairie pour inclure type std_logic
--portes ET
--3 entrées E2 E1 E0
Bit Poid
-- 1 sortie S0
Bit Poid
faible
entity ET3 is
Fort
port(
E:IN std_logic_vector(2 downto 0);
S:OUT std_logic
);
end ET3;
--definition de l'architecture
architecture arch_ET3 of ET3 is
begin
S<=E(2) and E(1) and E(0); -- E(2) accès au fil 2
end arch_ET3;
Exemple 2
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity example is
port(
E:IN std_logic_vector(2 downto 0);
S1:OUT std_logic; --1 fil
S2,S3:OUT std_logic_vector(3 downto 1); --3 fils
S1[3:1]
S4:OUT std_logic_vector(2 downto 0)
);
end example;
--definition de l'architecture
architecture arch_example of example is
begin
S1<='0';
S2<='1'& E(1 downto 0);
-- operateur COLLER (ou CONCATENE)
-- S2(3)
S2(2)
S2(1)
-- '1'
E(1)
&
E(0)
S3<="101";
S4<= "111" XOR E; --manip sur les bus directement
end arch_example;
16
Logique combinatoire: Instructions concurrentes
Assignation conditionnelle
signal <=
 Structure WHEN/ELSE
---- Solution 1: with WHEN/ELSE ------------2 LIBRARY ieee;
3 USE ieee.std_logic_1164.all;
4 --------------------------------------------5 ENTITY encoder IS
6 PORT ( x: IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
7 y: OUT STD_LOGIC_VECTOR (1 DOWNTO 0));
8 END encoder;
9 --------------------------------------------10 ARCHITECTURE encoder1 OF encoder IS
11 BEGIN
12 y <= "00" WHEN x="0001" ELSE
13
"01" WHEN x="0010" ELSE
14
"10" WHEN x="0100" ELSE
15
"11" WHEN x="1000" ELSE
20
"ZZZ";
21 END encoder1;
22 ---------------------------------------------
signal1 when expresion_boolénne else
………
signal1xx when expresion_boolénne else
signal par défaut;
Exemple d’application:
encodeur clavier pour PIC
Intérêt: réduire le nombre d’entrée du PIC
17
Logique combinatoire: Instructions concurrentes
Assignation sélective
with expression select
signal1 <= signal1when valeur 1,
signal2 when valeur2,
-----signal par défaut when others ;
Le multiplexeur: on aiguille une enrée vers la
sortie en fonction d’un numéro d’aiguillage
MUX
1 voie parmi 4
Autre possibilté:
std_logic_vector(1 downto 0)
18
Logique combinatoire: Instructions concurrentes
Instanciation (placement) de composants déjà crées
 Découpage de votre projet en fonctions: création de composants adéquats
 Assemblage des composants créés pour structurer votre projet
 MOT CLE: PORTMAP
Analogie avec ORCAD: on choisit
 Ma Référence :port map ( liste ordonnée de signaux) ;
•
ou
 Ma Référence : port map ( port=> signal , port => signal ) ;
un composant de la bibliothèque en
le référencant sur la feuille
Exemple: résistance R1
Un 555: U1
exemple: applicatif: Comment faire un additionneur 4 bits?
etape 1: je crée un composant ADDITIONNEUR 1 bits
Full Adder
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY fa IS PORT (
Ci, X, Y: IN STD_LOGIC;
S, Cout: OUT STD_LOGIC);
END fa;
ARCHITECTURE Dataflow OF fa IS
BEGIN
Cout <= (X AND Y) OR (Ci AND (X XOR Y));
S <= X XOR Y XOR Ci;
END Dataflow;
19
Logique combinatoire: Instructions concurrentes
étape 2: je valide le composant ( compilation /simulation)
étape3: je structure mon niveau supérieur ( comment faire 4 bits avec 1 bit?)
architecture arch_add4full of add4full is
-- declaration du composant add1full
--librairie pour inclure type std_logic
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
entity add4full is
port(
Cin:IN std_logic;
A:IN std_logic_vector(3 downto 0);
B:IN std_logic_vector(3 downto 0);
Res:OUT std_logic_vector(3 downto 0);
Cout:OUT std_logic
);
;
end add4full
component add1full is
port(
Ci:IN std_logic;
X,Y:IN std_logic;
S,Cout:OUT std_logic
);
end component add1full;
-- declaration des fils internes pour le report carry
signal Fil1,Fil2,Fil3:std_logic;
begin
-- placement des 4 aditionneurs complets
U0: add1full port map (Cin,A(0),B(0),Res(0),Fil1);
U1: add1full port map (Fil1,A(1),B(1),Res(1),Fil2);
U2: add1full port map
(X=>A(2),Rin=>Fil2,Y=>B(2),Cout=>Fil3,S=>Res(2));
U3: add1full port map (Fil3,A(3),B(3),Res(3),Cout);
20
end arch_add4full;
VHDL: concepts de base
library IEEE; --librairie pour inclure
use IEEE.std_logic_1164.all;
Notre ET4
type std_logic
ENTITY ET4 IS
PORT
(X1,X2,X3,X4
STD_LOGIC;
Y: OUT
);
--librairie pour inclure type std_logic
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
ENTITY ET2 IS
PORT
(
A,B: IN
S: OUT
);
Je commence par faire ma
ET2
STD_LOGIC;
STD_LOGIC
END ET2;
ARCHITECTURE arch_ET2 OF ET2 IS
BEGIN
S<= A and B;
END arch_ET2;
2 fichiers .vhd avec chacun 1 entity+1 architecture
END ET4;
On
déclare
ET2
: IN
STD_LOGIC
Je respecte les noms
choisis sur papier
ARCHITECTURE arch_ET4 OF ET4 IS
-- partie déclarative COMPOSANT
COMPONENT ET2 is
PORT
(A,B: IN
STD_LOGIC;
S: OUT
STD_LOGIC);
END COMPONENT ET2;
-- partie déclarative SIGNAL
--pas de IN ou OUT car signal INTERNE
Les
SIGNAL FIL1,FIL2: STD_LOGIC ;
BEGIN
------------------------ 1ere porte ET placée
U1:ET2 port map (A=>X1,B=>X2,S=>FIL1);
-- 2ème porte ET placée
U2:ET2 port map (A=>X3,B=>X4,S=>FIL2);
-- 3ème porte ET placée
U3:ET2 port map (A=>FIL1,B=>FIL2,S=>Y);
-- on pourrait faire à la place !!!!
-- Y<= X1 and X2 and X3 and X4
END arch_ET4;
fils de
connexions
INTERNES
PORT MAP
pour
placement et
connexion
21
Logique combinatoire: Instructions concurrentes
Bilan
 Pour décrire des systèmes combinatoires les
instructions types « concurrentes » seront
préférées
 L’ordre des instructions est SANS
IMPORTANCE ( car en parallèle)
 Il est souhaite de scinder les projets en
composants simples
 APPROCHE METHODOLOGIQUE TOP-DOWN
 Utilisation des bibliothèques IEEE
--les libraries
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
……….
ENTITY LENIVEAUTOP (
………..)
End ENTITY
ARCHITECTURE …..
COMPONENT Truc
…
END COMPONENT
COMPONENT Machin
…
END COMPONENT
Déclaration de
composants créés
SIGNAL: ……….
SIGNAL: ……..
Squelette de
description
VHDL
XX<=“1110”;
YY<= A AND B;
U1: Truc PORT MAP( …….);
S<= “10” when (A=B) else
“00”;
U2: Machin PORT MAP( …….);
Utilisation des
ressources
disponibles
With (Toto) select
G<= ……
22
END ARCHITECTURE
Logique combinatoire: exemples
Décodeurs 7 segments
 UTILISATION D’UNE TABLE (LUT) POUR DECRIRE LE SYSTEME
entity decod7seg is
port(
iDigit:IN std_logic_vector(3 downto 0);
oSeg:OUT std_logic_vector(6 downto
0)
);
end decod7seg;
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
Création de
nouveaux types:
TYPE
Tableau: ARRAY
--definition de l'architecture
architecture arch_dec_7seg_v1 of decod7seg is
-- definition d'un nouveau type
-- tableau de 16 elements de 7 bits
type ROM is array(15 downto 0) of std_logic_vector(6 downto 0);
--initialisaion du tableau
-- tableau vu comme une memoire(LUT)
signal LUT:ROM:=(
"1000000","1111001","0100100","0110000","0011001","
0010010","0000010",
"1111000","0000000","0011000","0001000","0000011","
1000110","0100001",
Segment actif à ‘0’
"0000110","0001110");
begin
-- pour indexer tableau il faut un entier
-- fonction de conversion conv_integer dans
IEEE.std_logic_unsigned.all
oSeg<=LUT(conv_integer(iDigit));
Brochage: voir p31 du manuel
end arch_dec_7seg_v1;
Carte DE2:
Anode commune
23
Logique combinatoire: exemples
Additionneur « haut niveau »
 Emploi des librairies IEEE;
 On augmente la taille de 1 si l’on souhaite conserver la retenue d’entrée
--librairie pour inclure type std_logic
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.std_logic_unsigned.all;
entity adddirect is
generic (LARG:integer:=4);
-- parametre generique
-- taille aditionneur changer en 1 clic!
port(
architecture arch1_add4full of adddirect is
--creation de TEMP pour resultat: extension de 1 bit
signal TEMP:std_logic_vector(LARG downto 0);
begin
TEMP<=('0'&A)+('0'&B)+Cin;
--A et B etendu de 1 bit.
Res<=TEMP(TEMP'HIGH-1 downto 0);
Cout<=TEMP(TEMP'HIGH);
--TEMP'HIGH renvoi indice poids fort
end arch1_add4full;
Les attributs des signaux -Exemple S[5:0]
Cin:IN std_logic;
A:IN std_logic_vector(LARG-1 downto
0);
B:IN std_logic_vector(A'range);
Res:OUT std_logic_vector(A'range);
Cout:OUT std_logic
);
end adddirect;
S’HIGH renvoie 5 et S’LOW renvoie 0
S’RANGE renvoie 5 downto 0
S’event renvoie TRUE si changement d’état de S
Utilisation de GENERIC lors du PORT MAP
U1: generic(10)
adddirect PORT MAP(xxxxxx);
24
Logique combinatoire: exemples
Arithmetic Logic Unit (ALU)
Sélection Op
2 LIBRARY ieee;
arithmétique/logique
3 USE ieee.std_logic_1164.all;
4 USE ieee.std_logic_unsigned.all;
5 ---------------------------------------------6 ENTITY ALU IS
7 PORT (a, b: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
8 sel: IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
9 cin: IN STD_LOGIC;
10 y: OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0));
11 END ALU;
12 ---------------------------------------------13 ARCHITECTURE dataflow OF ALU IS
14 SIGNAL arith, logic: STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
15 BEGIN
16 ----- Arithmetic unit: -----17 WITH sel(2 DOWNTO 0) SELECT
18 arith <=
a WHEN "000",
19
a+1 WHEN "001",
20
a-1 WHEN "010",
21
b WHEN "011",
22
b+1 WHEN "100",
b-1 WHEN "101",
24
a+b WHEN "110",
25
a+b+cin WHEN OTHERS;
Code Opératoire (mot de
commande sur 3 bits)
26 ----- Logic unit: ----------27 WITH sel(2 DOWNTO 0) SELECT
28 logic <=
NOT a WHEN "000",
29
NOT b WHEN "001",
30
a AND b WHEN "010",
31
a OR b WHEN "011",
32
a NAND b WHEN "100",
33
a NOR b WHEN "101",
34
a XOR b WHEN "110",
35
NOT (a XOR b) WHEN OTHERS;
36 -------- Mux: --------------37 WITH sel(3) SELECT
38 y <=
arith WHEN '0',
39
logic WHEN OTHERS;
40 END dataflow;
41 ----------------------------------------------
25
Logique combinatoire: exemples
Buffers 3 états
De manière générale il faut se poser la
question:
Le composant cible dispose t’il des
ressources nécessaires pour synthétiser
ma fonction
1 LIBRARY ieee;
2 USE ieee.std_logic_1164.all;
3 ---------------------------------------------4 ENTITY tri_state IS
5 PORT ( ena: IN STD_LOGIC;
6 input: IN STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0);
7 output: OUT STD_LOGIC_VECTOR (7 DOWNTO 0));
8 END tri_state;
9 ---------------------------------------------10 ARCHITECTURE tri_state OF tri_state IS
11 BEGIN
12 output <= input WHEN (ena='0') ELSE
13
(OTHERS => 'Z');
14 END tri_state;
15 ----------------------------------------------
Pas de 3 états possibles si le composants
n’en a pas!!
26
Logique séquentielle: le process
Le mot clé PROCESS
 Syntaxe:
MONETIQUETTE:process (signal1, signal2 etc)
-- zone déclarative
Signal sFIL1,sFIL2: xxxxxxxx
Begin
xxx
xxx
xxx
end process MONETIQUETTE;
 Le PROCESS est activé lors d’un changement d’état d’un des signaux de la liste de
sensibilité
 Une fois dans le PROCESS le déroulement est SEQUENTIELLE
 Les instructions utilisables dans un PROCESS sont SPECIFIQUE ( pas de when/else
par exemple)
 Les signaux sont mis à jour uniquement à la fin du process
Écritures
alternatives
process
begin
q <= d;
wait until Reloj = ‘1’;
end process;
Process
begin
c <= a and b;
wait on a, b;
end process;
Process(a,b)
begin
c <= a and b;
end process;
27
Logique séquentielle: le process
Réveil du process
 Exemple: bascule D latch
 Fonctionnement sur niveau
Processus activé
28
Logique séquentielle: le process
Rendre synchrone
 Bascule D edge: fonctionnement sur front
Autre façon:
Process(CLK)
Begin
If (CLK=‘1’) then
Q<=D;
End if;
End process;
29
Logique séquentielle: le process
Ecriture correcte des process
 Les compilateurs imposent une certaine rigidité dans la description des process
 Les règles a respecter
process(horl)
if (horl’event and horl = ‘1’) then
if (ena = ‘ 1 ’) then
contenu_registre <= valeur_in;
end if;
end if;
end process;
Ce qu’il faut faire!
En pratique le FPGA (ou CPLD)
possède une ou des broches
spécifiques pour le signal
d’horloge
30
Logique séquentielle: le process
Penser à l’initialisation du systèmes
 Signaux reset et set: comportement défini par l’utilisateur
Reset et Set SYNCHRONE
On remarquera que RST a disparu de la
liste de sensibilité
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
--------------------------------------ENTITY dff IS
PORT ( d, clk, rst: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC);
END dff;
--------------------------------------ARCHITECTURE behavior OF dff IS
BEGIN
Reset ASYNCHRONE
PROCESS (rst, clk)
BEGIN
Comportement
IF (rst=‘0') THEN
synchrone de la bascule
q <= '0';
ELSIF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
q <= d;
END IF;
END PROCESS;
END behavior;
process (CLK)
Begin
if (CLK'event and CLK ='1') then
if (RESET =’1’) then
S <= ‘0’;
Actif à 1 ici
elsif (SET =’1’)then
S <= ‘1’;
l’exemple
else
S <= D;
end if;
end if;
end process ;
pour
31
Logique séquentielle: le process
Mise à jour des signaux à la fin du process
 Exemple 1: bascule avec sortie complémentée
---- Solution 1: NE MARCHE PAS--------------2 LIBRARY ieee;
3 USE ieee.std_logic_1164.all;
4 --------------------------------------5 ENTITY dff IS
6 PORT ( d, clk: IN STD_LOGIC;
7 q: BUFFER STD_LOGIC;
8 qbar: OUT STD_LOGIC);
9 END dff;
10 --------------------------------------11 ARCHITECTURE not_ok OF dff IS
12 BEGIN
13 PROCESS (clk)
14 BEGIN
15 IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
16 q <= d;
LIGNE 17
17 qbar <= NOT q;
18 END IF;
Je me fais avoir car si d a
19 END PROCESS;
changé q ne changera qu’à
20 END not_ok;
la fin du process
21 ---------------------------------------
---- Solution 2: OK ------------------2 LIBRARY ieee;
3 USE ieee.std_logic_1164.all;
4 --------------------------------------5 ENTITY dff IS
6 PORT ( d, clk: IN STD_LOGIC;
7 q: BUFFER STD_LOGIC;
8 qbar: OUT STD_LOGIC);
9 END dff;
10 --------------------------------------11 ARCHITECTURE ok OF dff IS
12 BEGIN
13 PROCESS (clk)
14 BEGIN
15 IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
16 q <= d;
LIGNE 19
17 END IF;
Je décris un relation
18 END PROCESS;
COMBINATOIRE => je
19 qbar <= NOT q;
sors du PROCESS!!!
20 END ok;
21 ---------------------------------------
32
Logique séquentielle: le process
Mise à jour des signaux
 Cas des compteurs
Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Use ieee.numeric_std.all;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity CMP4BITSRET is
PORT (
RESET, CLOCK : in std_logic;
RET : out std_logic;
Q : out std_logic_vector (3 downto 0));
end CMP4BITSRET;
architecture DESCRIPTION of CMP4BITSRET is
signal CMP: std_logic_vector (3 downto 0);
begin
process (RESET,CLOCK)
begin
if RESET ='1' then
CMP <= "0000";
elsif (CLOCK ='1' and CLOCK'event) then
CMP <= CMP + 1;
if (CMP = "1111") then
RET <= '1';
else
RET <= '0';
end if;
end if;
end process;
Q <= CMP;
end DESCRIPTION;
1110+1=1111 oui mais à la fin du process
Conclusion: etat 1111 et pas de retenue!
Prochain front: 1111+1=0 je detecte 1111 , l’ancienne
valeur et RET passe à 1
Oui mais trop tard!!
33
Logique séquentielle: le process
Des solutions
SOLUTION 1:
process (RESET,CLOCK)
begin
if RESET ='1' then
CMP <= "0000";
elsif (CLOCK ='1' and CLOCK'event) then
CMP <= CMP + 1;
if (CMP = "1110") then
–- La retenue passera à un quand CMP = 14
décimal
RET <= '1';
else
RET <= '0';
end if;
Version complètement
end if;
synchrone:
end process;
J’anticipe pour avoir un résultat
correct
Je décris le
combinatoire HORS
du PROCESS
SOLUTION 2:
process (RESET,CLOCK)
begin
if RESET='1' then
CMP <= "0000";
elsif (CLOCK ='1' and CLOCK'event) then
CMP <= CMP + 1;
end if;
end process;
-- Validation de la retenue
RET <= '1' when (CMP = "1111") else '0';
34
Logique séquentielle: les instructions
Assignations directes
 S<= signal;
Q est défini en sortie
OR Q<=Q+1 signifie
Relire état courant et
incrémente
Solution 1: définir BUFFER
au lieu de OUT
Solution 2: couramment
utilisée: passer par un signal
Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Use ieee.numeric_std.all;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity CMP4BITS is
PORT (
CLOCK : in std_logic;
Q : out std_logic_vector (3 downto 0));
end CMP4BITS;
architecture DESCRIPTION of CMP4BITS is
signal Q_BUS_INTERNE : std_logic_vector(3 downto 0));
begin
process (CLOCK)
begin
if (CLOCK ='1' and CLOCK'event) then
Q_BUS_INTERNE <= Q_BUS_INTERNE + 1;
end if;
end process;
Q <= Q_BUS_INTERNE; -- affectation du bus interne au
-- signal de sortie Q
end DESCRIPTION;
35
Logique séquentielle: les instructions
Assignation conditionnelle
 Structure SI/SINON SI
Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Bascule T
Use ieee.numeric_std.all;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity BASCULET is
T comme TOGGLE ( basculement)
port (
La sortie change d’état à chaque front (
D,CLK : in std_logic;
utilisation pour la synthèse des compteurs)
S : buffer std_logic);
end BASCULET;
architecture DESCRIPTION of BASCULET is
begin
PRO_BASCULET : process (CLK)
Begin
if (CLK'event and CLK='1') then
if (D=’1’) then
S <= not (S);
end if;
end if;
end process PRO_BASCULET;
end DESCRIPTION;
Compteur de
GRAY
Code binaire
réfléchi
(codeur de
position par
exemple)
COMPTEUR GRAY
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
USE work.std_arith.all;
entity GRAY is
port (H,R :in std_logic;
Q :out std_logic_vector(2 downto 0));
end GRAY;
architecture ARCH_GRAY of GRAY is
signal X :std_logic_vector(2 downto 0);
begin
process(H,R)
begin
if R='1' then X <= "000";
elsif (H'event and H='1') then
if X = "000" then X <= "001";
elsif X = "001" then X <= "011";
elsif X = "011" then X <= "010";
elsif X = "010" then X <= "110";
elsif X = "110" then X <= "111";
elsif X = "111" then X <= "101";
elsif X = "101" then X <= "100";
elsif X = "100" then X <= "000";
end if;
end if;
end process;
Q <= X;
end ARCH_GRAY;
36
Logique séquentielle: les instructions
Assignation conditionnelle
 Structure CASE/IS
 Utile pour décrire des grafcets, machine d’états
Case selecteur is
when condition1 =>
when condition2 =>
---when others
=>
end case ;
instructions ;
…….
instructions ;
instructions ;
instructions ;
CAS possibles de l’expression EST
LORSQUE signal = valeur1 => instructions séquentielles;
LORSQUE signal = valeur2 =>instructions séquentielles;
LORSQUE signal = valeur3 =>instructions séquentielles;
LORSQUE signal = AUTRES =>instructions séquentielles;
FIN DE CAS;
37
Logique séquentielle: les instructions
 Exemple de CASE/IS
Schéma de principe d’un registre à décalage SIMPLE
 Description d’un registre à décalage
registre à décalage à droite OU à gauche
On peut utiliser une variable à la
place d’un signal
Reg_dec: PROCESS (h)
VARIABLE stmp: std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
Affecttation d’une variable
BEGIN
Mavariable:= ma valeur;
If (h=‘1’ and h’event) then
CASE selection IS
CONTRAIREMENT AU SIGNAUX
WHEN ”11”=> stmp := d_entree; --chargement paralelle
LA VALEUR EST MISE A JOUR DE
SUITE
WHEN ”10”=>stmp:= stmp(2 DOWNTO 0) & edg; --gauche
WHEN ”01”=>stmp:= edd &stmp(3 DOWNTO 1); --droite
Rappel: & « colle »
WHEN OTHERS => ; --mémorisation
les signaux ensemble
END CASE;
la sortie est SYNCHRONE
sortie <= stmp;
END PROCESS Reg_dec;
Pas de retard supplémentaire car utilisation d’une variable
Si emploi d’un signal à la place d’une variable affectation
EN DEHORS DU PROCESS ( voir chapitre Mise à jour des
signaux et page suivante pour un exemple)
38
Logique séquentielle: des exemples
Registre à décalage simple
 Sortie série ( 1 seule sortie)
1 -------------------------------------------------2 LIBRARY ieee;
3 USE ieee.std_logic_1164.all;
4 -------------------------------------------------ENTITY shiftreg IS
6 GENERIC (n: INTEGER := 4);
7 PORT (d, clk, rst: IN STD_LOGIC;
8 q: OUT STD_LOGIC);
9 END shiftreg;
10 -------------------------------------------------11 ARCHITECTURE behavior OF shiftreg IS
12 SIGNAL internal: STD_LOGIC_VECTOR (n-1 DOWNTO 0);
13 BEGIN
14 PROCESS (clk, rst)
15 BEGIN
16 IF (rst='1') THEN
17
internal <= (OTHERS => '0');
18 ELSIF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
19
internal <= d & internal(internal'LEFT DOWNTO 1);
20 END IF;
21 END PROCESS;
22 q <= internal(0);
23 END behavior;
24 --------------------------------------------------
39
Logique séquentielle: des exemples
Registre à décalage
 Sortie parallèle
 Choix du sens
Emploi de signaux et non de
variables
Affectation en dehors du
process
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
USE work.std_arith.all;
entity DECAL_DG is
port (H,R,SENS :in std_logic;
IN_OUT,OUT_IN :inout std_logic);
end DECAL_DG;
architecture ARCH_DECAL_DG of DECAL_DG is
signal Q :std_logic_vector(3 downto 0);
begin
process(H,R)
begin
if R='1' then Q <= "0000";
elsif (H'event and H='1') then
if SENS = '1' then
Q <= Q(2 downto 0) & IN_OUT;
else Q <= OUT_IN & Q(3 downto 1);
end if;
end if;
end process;
OUT_IN <= Q(3) when SENS = '1' else 'Z';
IN_OUT <= Q(0) when SENS = '0' else 'Z';
end ARCH_DECAL_DG;
40
Logique séquentielle: des exemples
Une RAM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
--------------------------------------------------ENTITY ram IS
GENERIC ( bits: INTEGER := 8; -- # of bits per word
words: INTEGER := 16); -- # of words in the memory
PORT ( wr_ena, clk: IN STD_LOGIC;
addr: IN INTEGER RANGE 0 TO words-1;
data_in: IN STD_LOGIC_VECTOR (bits-1 DOWNTO 0);
data_out: OUT STD_LOGIC_VECTOR (bits-1 DOWNTO 0));
12 END ram;
--------------------------------------------------ARCHITECTURE ram OF ram IS
TYPE vector_array IS ARRAY (0 TO words-1) OF STD_LOGIC_VECTOR (bits-1 DOWNTO 0);
SIGNAL memory: vector_array;
Déclaration d’un signal du type
BEGIN
créé précédemment
PROCESS (clk, wr_ena)
BEGIN
IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN
IF (wr_ena='1') THEN
memory(addr) <= data_in;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
data_out <= memory(addr);
END ram;
Création d’un nouveau type:
TYPE
C’est un tableau de vecteurs
41
Logique séquentielle: des exemples
Diviseur de fréquence
 Diviseur par comptable
 Possibilité de faire par décomptage aussi
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
USE ieee.std_arith.all;
entity DIV_FREQ1 is
port (H :in std_logic;
N :in std_logic_vector(3 downto 0);
DIV : out std_logic);
end DIV_FREQ1;
architecture ARCH_DIV_FREQ1 of DIV_FREQ1 is
signal Q :std_logic_vector(3 downto 0);
begin
process(H)
begin
if (H'event and H='1') then
if Q = 15 then Q <= N;
else Q <= Q + 1;
end if;
end if;
end process;
DIV <= '1' when Q = 15 else '0';
end ARCH_DIV_FREQ1;
Application et utilisation
diviseur de fréquence
d’un
•On évitera de cascader la sortie du
diviseur sur l’horloge du bloc suivant
•La bonne méthode:
Horloge du système LA même
pour tous les blocs
La sortie du diviseur est une
entrée de validation du bloc
suivant
Si En=‘1’ alors je
compte
42
Logique séquentielle: des exemples
Application et utilisation d’un diviseur de fréquence
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
USE work.std_arith.all;
entity COMPTCAS is
port (H,R,EN :in std_logic;
CO :out std_logic;
Q :out std_logic_vector(3 downto 0));
end COMPTCAS;
architecture ARCH_COMPTCAS of COMPTCAS is
signal X :std_logic_vector(3 downto 0);
begin
process(H,R)
begin
if R='1' then X <= "0000";
elsif (H'event and H='1') then
if EN = '1' then X <= X + 1;
else X <= X;
end if;
end if;
end process;
Q <= X;
CO <= '1' when Q = 15 else '0';
end ARCH_COMPTCAS;
COMPOSANT HAUT NIVEAU
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
USE work.std_arith.all;
entity COMPT12 is
port (H,RAZ,EN :in std_logic;
CO :out std_logic;
Q :out std_logic_vector(11 downto 0));
end COMPT12;
architecture ARCH_COMPT12 of COMPT12 is
signal X :std_logic_vector(11 downto 0);
signal CO1,CO2,CO3,EN1 :std_logic;
component COMPTCAS
port (H,R,EN : in std_logic;
CO : out std_logic;
Q : out std_logic_vector(3 downto 0));
end component;
begin
COMPTEUR1 : COMPTCAS port map(H,RAZ,EN,CO1,Q(3 downto 0));
COMPTEUR2 : COMPTCAS port map(H,RAZ,CO1,CO2,Q(7 downto 4));
EN1 <= CO1 and CO2;
COMPTEUR3 : COMPTCAS port map(H,RAZ,EN1,CO3,Q(11 downto 8));
43
CO <= CO1 and CO2 and CO3;
end ARCH_COMPT12;
Logique séquentielle: des exemples
Détection d’un front
 Détection d’un changement d’état d’un signal
 Contrainte: DESCRIPTION SYNCHRONE
Équivalent à
Detection: PROCESS
VARIABLE detect : std_logic_vector(1 DOWNTO 0);
Process(clk)
BEGIN
If (clk=‘1’ and clk’event)
WAIT UNTIL rising_edge (clk); -- c'est donc synchrone de clk
front_montant <= '0';
……
front_descendant <= '0' ;
detect(1) := detect(0);
detect(0) := signal_lent;
IF detect = "01" THEN
front_montant <= '1';
Rappel:
END IF;
la variable prend sa valeur instannément
IF detect = "10" THEN
front_descendant <= '1';
Le signal prend sa valeur à la sortie du
END IF;
process
END PROCESS;
44
Bibliographie
 Certaines illustrations et exemples proviennent de cours ou d’ouvrages présents cidessous




Introduction à la Synthèse logique Philippe LECARDONNEL & Philippe LETENNEUR
Le langage de description VHDL T. BLOTIN
VHDl J.maillefert
Circuit Design with VHDL Volnei A. Pedroni
 Un lien bien utile pour l’étudiant GEII
 http://perso.orange.fr/xcotton/electron/coursetdocs.htm
45