Lección 4.2 (1de2): Introducción al VHDL - Léxico, sintaxis y estructura

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Del curso dictado por Universitat Autònoma de Barcelona

Sistemas Digitales: De las puertas lógicas al procesador

148 calificaciones

Universitat Autònoma de Barcelona

Sistemas Digitales: De las puertas lógicas al procesador

148 calificaciones

En este curso aprenderemos los fundamentos del diseño de los circuitos digitales actuales, siguiendo una orientación eminentemente práctica. A diferencia de otros cursos más "clásicos" de Circuitos Digitales, nuestro interés se centrará más en el Sistema que en la Electrónica que lo sustenta. Este enfoque nos permitirá sentar las bases del diseño de Sistemas Digitales complejos. Se trata de un curso muy adecuado para estudiantes de primeros cursos de carreras de Ingenierías cercanas a las TIC (Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones), y para todas aquellas personas que deseen introducirse en el mundo de los Sistemas Digitales. Por otra parte, este primer curso de Sistemas Digitales es un paso obligado para aquellas personas que deseen posteriormente profundizar en temas como el hardware de computadores y/o los circuitos integrados de aplicación específica, con todas las aplicaciones que ello implica (robótica, biónica, control industrial, etc.). Al acabar el curso serás capaz de: * Diseñar Sistemas Digitales de complejidad media. * Comprender la descripción de Sistemas Digitales mediante lenguajes de alto nivel como VHDL. * Comprender el funcionamiento de los computadores a su nivel más básico (lenguaje máquina), así como su materialización e interpretación a través de sistemas digitales algorítmicos. ACLARACIONES * Puedes realizar el curso de manera gratuita. Con ello puedes acceder a todo los contenidos (vídeos, lecturas, cuestionarios, foros). Sin embargo, no permite la opción de obtener un certificado. * Obtener el certificado implica cumplir una serie de requisitos, entre los cuales, abonar el coste asociado.

De la lección

Circuitos aritméticos + Introducción al VHDL

<b><font size=4 color=#B22222><b>Clicka en "v Más" para leer cuales son los objetivos de este módulo</b></font> </b><br/><br/> <b>TEMA 4:</b><br/> Este módulo tiene un doble objetivo: <ul><li>En primer lugar completaremos el estudio de los circuitos combinacionales presentando unos pocos circuitos aritméticos de cierta complejidad. </li> <li>En segundo lugar introduciremos el lenguaje de descripción hardware VHDL que utilizaremos más adelante para describir formalmente los circuitos. Es importante entender que el objetivo que persigue esta introducción al VHDL no es el formar expertos capaces de modelizar y diseñar circuitos a partir de VHDL, cosa que obviamente requeriría mucho más tiempo y esfuerzo del que le dedicamos aquí, sino el de proporcionarte unos conocimientos básicos de este lenguaje que te permitan interpretar (entender) un código VHDL de complejidad media. </li></ul>

Lección 4.2 (1de2): Introducción al VHDL - Léxico, sintaxis y estructura14:05

Lección 4.2 (2de2): Introducción al VHDL - Léxico, sintaxis y estructura18:09

Lección 4.3 (1de2): Introducción al VHDL - Sentencias secuenciales del lenguaje12:12

Lección 4.3 (2de2): Introducción al VHDL - Sentencias secuenciales - Sentencias secuenciales del lenguaje16:01

Lección 4.4 (1de2): Introducción al VHDL - Sentencias concurrentes del lenguaje16:03

Lección 4.4 (2de2): Introducción al VHDL - Sentencias concurrentes del lenguaje12:29

Conoce a los instructores

Elena Valderrama
Professor
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
Jean-Pierre Deschamps
Professor
Lluis Terés
Professor
Centro Nacional de Microelectrónica del CSIC
Merce Rullan
ProfesoraTitular
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
Joaquín Saiz Alcaine
Ingeniero Informático
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
David Bañeres
Profesor Agregado
Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación. UOC.
Juan Antonio Martínez
Collaborator
APSI - UAB

[MÚSICA] Hola.

En las próximas sesiones nos dedicaremos a hacer

una introducción a los lenguajes de descripción y modelado de hardware.

Los llamados hardware description languages o HDLs.

En especial veremos el VHDL y en esta primera sesión introduciremos el léxico,

la sintaxis y la estructura de base de este lenguaje.

Antes de entrar en materia veamos qué son y para qué se utilizan estos lenguajes de

descripción de hardware.

Son lenguajes estructurados, de alto nivel de abstracción,

y orientados a describir y modelar el funcionamiento del hardware.

Tienen una sintaxis y una semántica formales para evitar las

ambigüedades de los lenguajes naturales y de los dibujos de bloques que acompañan

las especificaciones escritas por y para los humanos.

Son fáciles de entender tanto para los ordenadores como para las personas y

como veremos se parecen a, o incluso se derivan de, los lenguajes de programación

de software como pueden ser el C, el C++, Ada, etc.

Pero incorporan particularidades para modelar el hardware,

especialmente la gestión del tiempo y la concurrencia inherentes al hardware.

¿Para qué se utilizan?

Bueno básicamente se utilizan con 3 objetivos, modelado del funcionamiento del

hardware sin fijar su implementación tecnológica, esto es el modelado

independiente de la tecnología e incluso de la estructura final a implementar.

También se utilizan para simular los

modelos desarrollados frente a las especificaciones de funcionamiento

esperadas a fin de validar que el modelo HDL realizado

cumple dichas especificaciones y por lo tanto es correcto.

Y por último también se utilizan para sintetizar dichos modelos

mediante la tecnología de implementación escogida.

Un mismo modelo HDL se puede materializar mediante herramientas de síntesis automática

con distintas tecnologías FPGAs, ASICS u otras.

¿Cuáles son los principales lenguajes de descripción de hardware?

Básicamente dos, el VHDL y el Verilog, aunque hay otros.

El VHDL es el Very High Speeding Integrated Circuit Hardware Description Language.

Es un estándar del IEEE, el estándar 1076 que se creó o se estandarizó en el 1987.

Y el Verilog es un lenguaje que nació como lenaguaje

de simulación de Cadence en 1985 y que posteriormente

se convirtió en un lenguaje de dominio público y se estandarizó, también por

parte del IEEE, con el estándar 1364 en 1995.

Hay otros lenguajes como el C, el C++,

el SystemC o el SystemVerilog que son lenguajes de un mayor nivel

de abstracción y orientados a especificar sistemas complejos,

hardware-software a nivel funcional.

En esta figura se recogen los conceptos principales entorno

a los lenguajes de descripción de hardware a la vez

que se hace una breve comparativa con los lenguajes de desarrollo de software.

En ambos casos se pretenden hacer descripciones funcionales de alto nivel de

abstracción, que serán independientes del procesador que los ejecute

o de la tecnología en la que vayan a materializarse.

Así pues vemos que desarrollamos programas software mediante lenguajes

estructurados de alto nivel que una vez compilados se convierten en

programas de código máquina ejecutables por microprocesadores específicos.

En el caso del hardware, vemos que también se trata de lenguajes

estructurados de alto nivel que nos permiten generar modelos

HDL a partir de los cuales podemos realizar o bien procesos de simulación

o bien procesos de síntesis para ir a una determinada materialización de ese modelo,

o bien procesos de verificación por simulación presíntesis

y post síntesis con comparación posterior de resultados.

Obsérvese que mientras el software el objetivo final es un programa ejecutándose

en un determinado procesador, en hardware el objetivo final puede ser doble,

o bien la simulación de nuestros modelos

para comprobar su correcto funcionamiento o bien la síntesis de dichos modelos

para proceder a su materialización física en hardware real.

Bien, después de esta breve presentación de los HDLs,

de los lenguajes de descripción de hardware,

vamos ya a adentrarnos en el VHDL y para ello abordaremos la agenda siguiente.

Veremos en primer lugar el léxico y la sintaxis de este lenguaje,

luego detallaremos brevemente cómo el VHDL se estructura en

en unidades de diseño, y a continuación

seleccionaremos y presentaremos un subconjunto de las sentencias VHDL,

tanto las sentencias secuenciales como de las sentencias concurrentes.

Y por último introduciremos muy brevemente el flujo de diseño basado en VHDL

que aborda las fases de modelado, simulación y síntesis,

y concluiremos como de costumbre con un resumen.

Empecemos pues por los elementos léxicos de este lenguaje que resumimos en

palabras reservadas, identificadores, símbolos y literales.

Palabras reservadas del propio lenguaje son todas aquellas que el lenguaje utiliza

para fijar la sintaxis y sus distintas estructuras y sentencias.

Los identificadores sirven para dar nombre a los distintos elementos,

estructuras y objetos que este lenguaje puede crear y manejar.

Estos identificadores tienen unas determinadas reglas como estar formados

por caracteres alfanuméricos, el primer carácter tiene que ser alfabético,

mayúsculas y minúsculas son indiferentes y las palabras reservadas no

no se pueden utilizar como identificadores. Y aquí tenemos algunos ejemplos.

Los símbolos son conjuntos de 1 o 2 caracteres que tienen un significado

especial dentro del lenguaje, como por ejemplo operadores aritméticos,

signos de puntuación, símbolos que forman parte de sentencias

o expresiones o símbolos como este de aquí que es el símbolo de comentario.

También tenemos valores literales que son valores explícitos de cualquier

tipo de datos que se pueden expresar de distintas formas como las que vemos aquí.

Aquí tenemos un valor expresado mediante la indicación de su base y su magnitud,

su valor, otro con base hexadecimal, unos dígitos hexadecimales,

o cadenas de caracteres o caracteres individuales,

valores de magnitudes físicas, etcétera.

A lo largo de esta introducción y en su posterior uso en el curso,

iremos aprendiendo a manejarnos con este léxico de forma sencilla e intuitiva.

Como todos los lenguajes,

el VHDL dispone y maneja objetos que pueden contener y contienen valores.

Estos objetos son las constantes variables, señales y ficheros.

Para declarar o definir un objeto esta es la sintaxis,

se define el tipo de objeto,

se le asocia un identificador, un nombre a ese objeto, se indica de qué

tipo de datos es ese objeto y por último y opcionalmente

se puede dar un valor inicial de ese objeto.

Así pues vemos declaraciones de constantes o constantes declaradas en función

de constantes previamente definidas como era el caso de "TotBits",

este que tenemos aquí. Vemos también declaraciones

de variables y uso de variables en expresiones,

una expresión que asigna un valor constante a una variable o bien

una expresión que asigna el resultado de una operación a una variable.

También tenemos señales, aquí tenemos la declaración de una señal

y aquí tenemos la asignación de un valor a una señal.

Observemos que cuando asignamos a las señales utilizamos el símbolo de

implicación hacia la izquierda (<=) mientras que en la asignación a constantes

o a variables utilizamos el dos-puntos-igual (:=).

Esta sería la forma de definir ficheros pero no entraremos en detalle porque aquí

no los vamos a utilizar.

El VHDL es un lenguaje fuertemente tipado, cada objeto debe pertenecer a un

único tipo de datos y solo puede recibir y contener valores de dichos tipos de datos.

Asimismo todos los objetos tienen un valor inicial predeterminado que corresponde

al menor valor del tipo de datos al que pertenece cada objeto.

Dicho valor inicial puede modificarse en el momento de

de declarar el objeto como hemos visto hace un momento.

En este árbol podéis ver los tipos de datos con los que trabaja el VHDL.

Aunque nosotros en este curso trabajaremos solo con un subconjunto de ellos,

los integer, boolean, bit, character, bit_vector, string, real y time.

Todo tipo de datos define un conjunto de valores fijos y estáticos

que no cambiarán a lo largo del tiempo.

Además de los tipos de datos predefinidos por el propio lenguaje,

el usuario puede definir otros tipos de datos: enumerados,

sub-rangos de los previamente definidos, tipos compuestos, tipos récord, etcétera.

Estos tipos de datos vienen predefinidos en packages que son

unidades de diseño del VHDL, para facilitar la reutilización del

código allí definido en otros módulos o unidades de diseño del VHDL.

Y aquí tenemos los tipos de datos predefinidos por el

lenguaje en el paquete "standard package".

Vemos tipos de datos boolean, tipo bit, el tipo character,

los integer, real, y así sucesivamente.

Estos son los tipos de datos por defecto del lenguaje VHDL.

Dentro de los llamados tipos de datos físicos, tenemos como predefinido el tipo

time, que en este caso tiene una relevancia especial porque es

el tipo de datos que nos permitirá expresar y manejar valores temporales,

y manejar el tiempo dentro de nuestros modelos y de nuestras simulaciones.

Esta es la forma de definir este tipo.

La unidad mínima de tiempo es femtosegundo,

y a continuación se van definiendo las unidades superiores picosegundo,

nanosegundo, microsegundo, y así sucesivamente hasta la hora,

siempre en función de la unidad inmediata anterior.

A partir de estos tipos de datos básicos,

el usuario diseñador podrá definir sus propios tipos de datos,

así como operaciones o funciones entre todos ellos.

Veamos ahora los operadores y expresiones que podemos utilizar en VHDL

para describir ya sea funciones, ecuaciones, o condiciones.

Los operadores son símbolos que identifican operaciones específicas.

Los tipos de operaciones más habituales son las relacionales,

lógicas, aritméticas o de concatenación, con los

operadores que aquí se muestran para cada uno de estos tipos de operaciones.

Los operadores y funciones junto con los literales y objetos, constantes,

variables o señales, se combinan entre sí para dar lugar a distintos tipos de

expresiones como son las siguientes, de tipo aritmético como ésta que tenemos

aquí donde aparece una función sqrt y distintos operadores

aritméticos; de tipo relacional donde se establecen

comparaciones cuyo resultado será de tipo booleano "true" o "false" (verdad o falso)

U operadores de tipo lógico,

o bien de concatenación de cadenas de bits o cadenas de caracteres.

Las expresiones se pueden utilizar en cláusulas condicionales para evaluar

una determinada condición y obrar en consecuencia; o a la derecha de una

o a la derecha de una asignación a constante, variable o señal como vemos aquí.

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