Dispositivos Lógicos Programáveis

Dispositivos Lógicos Programáveis

Linguagem VHDL

A linguagem VHDL (Very high speed integraded circuits (VHSIC) Hardware Description Language) permite descrever na forma de uma linguagem textual circuitos lógicos.

A linguagem VHDL pode ser utilizada para programar Dispositivos Lógicos Programáveis.

Linguagem VHDL x Linguagem de Programação

Uma linguagem de descrição de hardware descreve a configuração de hardware de um circuito, ao passo que uma linguagem de programação descreve uma sequência de instruções a serem executadas por um computador para realizar um tarefa.

A execução de um programa em um computador segue uma ordem sequencial, por exemplo, caso o programa precise analisar o estado de quatro entradas, ele deve analisar uma entrada de de cada vez, a passo que um circuito lógico considera a atuação das entradas em paralelo ^{(p. 85)}.

Sintaxe VHDL

O formato de uma descrição de hardware envolve dois elementos fundamentais ^{(p. 88)}:

• Definição das entradas e saídas (bloco ENTITY);
• Definição de como as saídas respondem as entradas (bloco ARCHITECTURE).

Exemplo de uma porta AND:

ENTITY and_gate IS 
  PORT(
	A, B :  IN  BIT;
	S :  OUT  BIT);
END and_gate;
ARCHITECTURE ckr OF and_gate IS 
  BEGIN 
    S <= A AND B;
  END ckt;

Sinais intermediários

São nós internos de um circuito lógico. São utilizados no VHDL para definir entradas e saídas de um bloco de circuito ^{(p. 90)}.

Exemplo de um circuito lógico dado pela expressão lógica:

S = AB + C 

ENTITY logic_circuit IS 
  PORT(
	A, B, C :  IN  BIT;
	S :  OUT  BIT);
END logic_circuit;
ARCHITECTURE ckr OF logic_circuit IS 
  SIGNAL m :BIT;
  BEGIN 
    m <= A AND B;
    S <= m OR C;
  END ckt;

Dados em VHDL

Dados numéricos representados em binário, hexadecimal e decimal ^{(p. 148)}:

B"11001" --Binário
X"19"    --Hexadecimal
25       --Decimal

Vetores de bits

Exemplo porta p definida como uma entrada de 8 bits:

PORT(p :IN BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0);

Tipos de dados em VHDL

Tipo de dados	Declaração	Valores possíveis	uso
BIT	y: OUT BIT;	'0', '1'	Y <= '0'
BIT_VECTOR	bcd: OUT BIT_VECTOR (3 DOWNTO 0);	'0101', '1001', '0000'	bcd <= '0000';
STD_LOGIC	y: OUT STD_LOGIC;	'0', '1', 'x', 'z'	y <= 'z'
STD_LOGIC_VECTOR	dbus: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);	'0z1x'	dbus <= 'zzzz';
INTEGER	SIGNAL z:INTERGER_RANGE 0 TO 31;	0,1,2,...,31	Z <= 31;

Circuitos lógicos construídos a partir da tabela verdade

Uma tabela verdade permite expressar o funcionamento de um circuito lógico combinacional.

Exemplo de uma porta AND descrita como tabela verdade em VHDL ^{(p. 152)}:

ENTITY and IS
PORT(
  a,b: IN BIT;
  s: OUT BIT);
END and;
ARCHITECTURE tabelaVerdade OF and IS
  SIGNAL in_bits: BIT_VECTOR (1 DOWNTO 0);
  BEGIN
    in_bits <= a & b;  --concatena bits
    WITH in_bits SELECT
	 S <= '0' WHEN "00",
	      '0' WHEN "01",
	      '0' WHEN "10",
	      '1' WHEN "11";
  END tabelaVerdade;

Estruturas de Controle em VHDL

A linguagem VHDL possui estruturas de controle de decisão que são interpretadas de forma sequencial, como numa linguagem de programação.

IF/THEN/ELSE

Exemplo de uso de IF/THEN/ELSE para comparar uma entrada inteira de 4 bits ^{(p. 157)}:

ENTITY teste IS
PORT(
  valor_digital: IN INTEGER RANGE 0 TO 15; --entrada de 4 bits
  z: OUT BIT);
END teste;
ARCHITECTURE desisao OF teste IS
  BEGIN
    PROCESS (valor_digital)
      BEGIN
        IF (valor_digital > 6) THEN
          z <= '1';
        ELSE
          z <= '0';
        END IF;
      END PROCESS;
  END desisao;

IF/THEN/ELSEIF/THEN/ELSE

Permite construir IFs aninhados.

CASE

Estrutura que permite percorrer uma lista de possíveis valores a serem avaliados ^{(p. 159)}.

ENTITY caso IS
PORT(
  p,q,r: IN BIT;
  s: OUT BIT);
END caso;
ARCHITECTURE copia OF caso IS
  SIGNAL status: BIT_VECTOR (2 DOWNTO 0);
  BEGIN
    status <= p & q & r;  --concatena bits
    PROCESS (status)
      BEGIN
        CASE status IS
	  WHEN "100"  => s <= '0';
	  WHEN "101"  => s <= '0';
	  WHEN "110"  => s <= '0';
	  WHEN OTHERS => s <= '1';
        END CASE;
      END PROCESS;
  END copia;

Dispositivos Lógicos Programáveis

Um Dispositivo Lógico Programável (PLD) pode ser configurado eletronicamente para formar um circuito lógico. Normalmente são construídos como uma matriz de comutação com chaves que podem ser programadas ^{(p. 143)}.

A programação de um PLD utiliza software de desenvolvimento, com o qual o programador define como o dispositivo deve ser programado.

A descrição de um circuito lógico em um software de desenvolvimento pode ser realizada de diferentes maneiras, incluindo:

• Captura Esquemática;
• Expressão Lógica;
• Tabela Verdade;
• Linguagem VHDL.

O QUARTUS II é um software de desenvolvimento da Altera, com o qual é possível descrever um diagrama lógico como uma arquivo de descrição de bloco (.bdf) ou utilizando a linguagem VDHL (.vhd).

Quartus II

Software para desenvolvimento de circuitos lógicos digitais.

Circuito de uma porta E constuida no Quartus II

Block Diagram/Schematic File

VHDL de uma porta E gerada pelo Quartus II

-- PROGRAM		"Quartus II 32-bit"
-- VERSION		"Version 13.0.1 Build 232 06/12/2013 Service Pack 1 SJ Full Version"
-- CREATED		"Fri May 12 15:17:16 2017"
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all; 
LIBRARY work;
ENTITY portaE IS 
  PORT(
	A :  IN  STD_LOGIC;
	B :  IN  STD_LOGIC;
	S :  OUT  STD_LOGIC);
END portaE;
ARCHITECTURE bdf_type OF portaE IS 
  BEGIN 
    S <= A AND B;
  END bdf_type;

Referências

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--Evandro.cantu (discussão) 14h03min de 12 de maio de 2017 (BRT)

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