VHDL-Online
VHDL Manual
VHDL Referenz
Buchdownload: Schaltungsdesign mit VHDL

VHDL-Online...a Hypertext-based-VHDL-Learning System

Was ist VHDL-Online?

Ziel von VHDL-Online ist es, ein Lernsystem mit Wissensbasis bereitzustellen, welches Studenten wie auch erfahrenen Ingenieuren VHDL-Kenntnisse im Selbststudium vermittelt. Über Integration der Hypertextdokumente ins WorldWideWeb soll ein weites Umfeld von VHDL-Nutzern angesprochen werden.

VHDL-Online besteht aus den Modulen VHDL-Manual und VHDL-Referenz.

VHDL-Fragen und Antworten

Die Fragen-und-Antworten-Seite von vhdl.org enthält allgemeine Fragen zu VHDL (z.B. Kontakte), eine Literatur- sowie eine Produkt- und Serviceliste (freie und kommerzielle) sowie ein Glossar.

VHDL-Online wurde entwickelt von

• Institut für Technik der Informationsverarbeitung der Universität Karlsruhe
  • Dipl.-Ing. Bernhard Wunder,
  • Dipl.-Ing. Gunther Lehmann,
  • Dipl.-Ing. Peter Elter,
  • Dipl.-Ing. Michael Wolff.

Deutschsprachige VHDL-Literatur

• Schaltungsdesign mit VHDL - Synthese, Simulation und Dokumentation digitaler Schaltungen
  G. Lehmann, B. Wunder, M. Selz, Franzis', Poing, 1994
• VLSI-Entwurf - Methoden, Vorgehen, Automatisierung
  Thomas Kropf, International Thomson Publishing, Bonn, 1995
• Abstrakte Modellierung digitaler Schaltungen vom funktionalen Modell bis zur Gatterebene
  Klaus tenHagen, Springer, Berlin-Heidelberg, 1995
• Ausführliche Literaturliste (auch englischsprachige Literatur)

Links

• EDA Industry Working Groups
  Hier gibt es eine umfassende Liste mit Links rund ums Thema!
• VHDL-Seite (Uni Hamburg)

Dieses Manual entstand als begleitendes Hilfsmittel für ein VHDL-Entwurfspraktikum am Institut für Technik der Informationsverarbeitung.

Im Manual werden neben einer Einführung in Hardwarebeschreibungssprachen und einem typischen VHDL-Entwurfsablauf die grundlegenden Konzepte der Hardwarebeschreibungssprache erläutert. Viele Bilder und Beispiele vervollständigen diese Kurzeinfürung.

Inhalt

• 1. Hardwarebeschreibungssprachen
  • 1.1 Aufgaben einer Hardwarebeschreibungssprache
    • Entwurf komplexer Systeme / Synthese
    • Simulation komplexer Systeme
    • Wiederverwendung / Dokumentation
    • Datenaustausch
    • Vorteile einer Normierung der Beschreibungssprache
  • 1.2 Sichtweisen der Beschreibung und Abstraktionsebenen
    • Systemebene
    • Algorithmische Ebene
    • Register-Transfer-Ebene
    • Logikebene
    • Schaltkreisebene
• 2. Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL
  • 2.1 Geschichtliche Entwicklung von VHDL
  • 2.2 Design-Methodik mit VHDL
  • 2.3 Aufbau eines VHDL-Modells
    • Schnittstellenbeschreibung (Entity)
    • Architektur (Architecture)
    • Konfiguration (Configuration)
    • Package
  • 2.4 Compilieren und Simulieren
    • Design Libraries
    • Abhängigkeiten beim Compilieren
    • Zusammenhänge bei der Simulation
  • 2.3 Simulationsalgorithmus
• 3. Bausteine der Sprache VHDL
  • 3.1 Zeichensatz
  • 3.2 Lexikalische Elemente
  • 3.3 Sprachkonstrukte
    • 3.3.1 Primitive
      • Operanden
      • Operatoren
    • 3.3.2 Kommentare
    • 3.3.3 Anweisungen
      • Deklarationsanweisungen
      • Sequentielle Anweisungen
      • Nebenläufige Anweisungen
      • Konfigurationsanweisungen
    • 3.3.4 Syntaktische Rahmen
    • 3.3.5 Kontextbefehle
• 4. Objekte
  • 4.1 Objektklassen
  • 4.2 Typdeklarationen
    • 4.2.1 Skalare Datentypen
      • Aufzähltypen
      • Ganzzahlige Typen
      • Fließkommatypen
      • Physikalische Typen
      • Untertypen von skalaren Typen
    • 4.2.2 Zusammengesetzte Datentypen
      • Uneingeschränkte Felder (eindimensional)
      • Eingeschränkte Felder (eindimensional)
      • Mehrdimensionale Felder
      • Untertypen von Feldtypen
      • Records
    • 4.2.3 Sonstige Typen
      • Access Typen
      • Files
  • 4.3 Datendeklarationen
• 5. Die Entity
• 6. Die Architecture
  • 6.1 Strukturale Modellierung
    • Komponentendeklaration
    • Komponenteninstantiierung
    • Block-Anweisung
    • Generate-Anweisung
  • 6.2 Verhaltensmodellierung
    • 6.2.1 Attribute
      • Typbezogene Attribute:
      • Feldbezogene Attribute:
      • Blockbezogene Attribute:
      • Signalbezogene Attribute:
    • 6.2.2 Nebenläufige Anweisungen
      • Signalzuweisungen
      • Assertions
      • Prozeßanweisung
    • 6.2.3 Sequentielle Anweisungen
      • Assertions
      • Signalzuweisungen
      • Variablenzuweisung
      • WAIT-Anweisung
      • IF-Anweisung
      • CASE-Anweisung
      • NULL-Anweisung
      • LOOP-Anweisung
      • EXIT- und NEXT-Anweisung
    • 6.2.4 Funktionen und Prozeduren
• 7. Die Configuration
  • 7.1 Configuration von Verhaltensmodellen
  • 7.2 Configuration von strukturalen Modellen
    • Block-Konfigurationsanweisungen
    • Komponenten-Konfigurationsanweisungen
• 8. Timing in VHDL
  • 8.1 Simulationsablauf
  • 8.2 Verzögerungsmodelle
    • 8.2.1 Transport-Verzögerungsmodell
    • 8.2.2 Inertial-Verzögerungsmodell
• 9. Kontextbefehle
• 10. Testumgebungen
  • 10.1 Beschreibung der Stimuli
  • 10.2 Überprüfung der erwarteten Antworten
• 11. Vorgehensweise beim Erstellen eines VHDL-Modells
  • 11.1 Vorbemerkungen
  • 11.2 Erstellen der Entity
  • 11.3 Erstellen von Architecture und Configuration
    • 11.3.1 Strukturale Modellierung
    • 11.3.2 Verhaltensmodellierung
  • 11.4 Beschreibung von Stimuli, Ergebnisüberprüfung und Erstellen der Testbench
• 12. Das neunwertige Logiksystem std_logic_1164
• 13. Beispiele
  • 13.1 Multiplexer (strukturales Modell)
  • 13.2 Stimuli und Antwortkontrolle für den 2:1-Multiplexer
  • 13.3 Testumgebung für den 2:1-Multiplexer
  • 13.4 Verhaltensbeschreibung eines D-Flip-Flops
  • 13.5 Verhaltensbeschreibung eines Automaten
• 14. Literatur

Schaltungsdesign mit VHDL (Buchdownload PDF)

Buchausleihe (Link zur KIT Bibliothek)

Verlag

Franzis' Verlag, Poing, 1994
gebunden, 315 Seiten, mit Diskette
ISBN 3-7723-6163-3

Autoren

• Gunther Lehmann,
• Bernhard Wunder,
• Manfred Selz

Urheberrecht

Die Autoren Gunther Lehmann, Bernhard Wunder und Manfred Selz behalten sich das Urheberrecht vor.
Das Herunterladen der Dokumente ist nur für den persönlichen Gebrauch gestattet. Ein Vervielfältigen für kommerzielle Zwecke in jeder Art (ganz oder auch nur in Auszügen) ist untersagt. Jede nicht-kommerzielle Verbreitung (z.B. im WWW oder per eMail) erfordert die ausdrückliche Zustimmung der Autoren. Die PDF Dokumente dürfen nicht modifiziert werden. Dies beinhaltet insbesondere auch das Verändern oder Löschen der Copyright-Fußzeile.

Übersicht

Seit ihrer firmenunabhängigen Normierung im Jahre 1987 wächst der Verbreitungsgrad der Hardwarebeschreibungssprache VHDL und die Unterstützung durch kommerzielle Werkzeuge beständig. In Europa ist sie zur bedeutendsten Hardwarebeschreibungssprache geworden. Der weite Sprachschatz von VHDL ermöglicht die einheitliche Beschreibung elektronischer Systeme über verschiedene Abstraktionsebenen hinweg. In Verbindung mit Synthesewerkzeugen können deutlich verkürzte Entwicklungszeiten und eine höhere Qualität der Entwicklungsergebnisse erreicht werden.

Das erste VHDL-Buch in deutscher Sprache gibt eine umfassende Einführung in die Syntax und Semantik der Sprache VHDL. Die Sprachkonstrukte werden durch zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben illustriert. Daneben wird die Anwendung von VHDL für die Simulation und Synthese beim Entwurf digitaler Schaltungen behandelt.

Die Berücksichtigung aller VHDL-Sprachkonstrukte erlaubt die Verwendung als Nachschlagewerk für den fortgeschrittenen VHDL-Anwender. Das Buch richtet sich aber auch an den VHDL-Einsteiger und ist daher besonders für den Einsatz in der Lehre und als ergänzende Lektüre für Schulungen geeignet.

Neben der heute noch häufig von VHDL-Werkzeugen unterstützten Sprachnorm IEEE Std 1076-1987 werden auch die Änderungen behandelt, die sich aus dem Wechsel auf die aktuell gültige VHDL-Norm (IEEE Std 1076-1993) ergaben.

Das Buch entstand, als wir als wissenschaftliche Angestellte am Institut für Technik der Informationsverarbeitung (KIT) bzw. am Lehrstuhl für Rechnergestützten Schaltungsentwurf (Universität Erlangen-Nürnberg) tätig waren.

Gunther Lehmann, Bernhard Wunder, Manfred Selz.

Vorwort

VHDL ist ein weltweit akzeptierter Standard zur Dokumentation, funktionalen Simulation und zum Datenaustausch beim Entwurf digitaler Systeme. VHDL hat in den letzten Jahren ausgehend von den USA seinen weltweiten Siegeszug angetreten. Mittlerweile findet die Sprache in vielen Entwicklungsabteilungen Verwendung; kaum ein Unternehmen wird sich dem Einsatz von VHDL beim Entwurf digitaler Hardware entziehen können.
Das Einsatzgebiet von VHDL wurde im Laufe der Zeit in Richtung Synthese erweitert. Damit wurden neue, produktivere Wege in der Elektronikentwicklung eröffnet. Die aktuellen Bestrebungen internationaler Gremien gehen in Richtung analoger Erweiterung des Standards, was den technologischen Fortschritten und der Entwicklung hin zu gemischt analog-digitalen Systemen bzw. Mikrosystemen dienlich sein wird.
Die Probleme, die beim Einsatz von VHDL auftreten, dürfen jedoch nicht verschwiegen werden. Es handelt sich um eine sehr mächtige Sprache, die erst nach längerem praktischen Einsatz richtig beherrscht wird. Der Einstieg ist insbesondere für diejenigen Hardwareentwickler schwierig, die noch nicht intensiv mit einer Programmiersprache gearbeitet haben. Die psychologische Barriere darf dabei nicht unterschätzt werden. Hinzu kommt, daß es mit der Einführung der „Sprache“ VHDL allein nicht getan ist: Die darauf basierende Entwurfsmethodik erfordert eine neue Arbeitsweise, ein Überdenken gewohnter Schemata und nicht zuletzt die Verwendung neuer Werkzeuge.

Die anfänglichen technischen Probleme (fehlende Herstellerbibliotheken, relativ langsame Simulation auf Gatterebene, kein automatisiertes „Backannotation“) sind schon weitgehend beseitigt. Eine größere Herausforderung stellt allerdings die Tatsache dar, daß der durch verschiedene Syntheseprogramme unterstützte VHDL-Sprachumfang eingeschränkt und nicht identisch ist.
Ein gravierendes Problem ist auch die starke Abhängigkeit des Syntheseergebnisses von der Qualität der VHDL-Beschreibung, mit dem Schlagwort „what you write is what you get“ treffend beschrieben. In den letzten Jahren wurde versucht, durch Einführung sog. „Front-End-Tools“ den Entwickler vom Erlernen und vollen Verständnis der Sprache zu entlasten. Diese Werkzeuge erzeugen aus einer graphisch definierten Verhaltensbeschreibung per Knopfdruck VHDL-Code, der oft als „synthesegerecht“ bezeichnet wird. Dadurch gestaltet sich der Entwurfsablauf für viele Anwendungsfälle produktiver, denn ein Automatengraph oder ein Statechart ist nun einmal anschaulicher und leichter zu übersehen als seitenlange IF...THEN...ELSE- und CASE-Anweisungen.
Die oben genannten Abhängigkeiten des Syntheseergebnisses vom VHDL-Code stellen hohe Ansprüche an diese Werkzeuge. Da Front-End- und Synthesetools in der Regel jedoch von verschiedenen Herstellern angeboten werden, ist der erzeugte VHDL-Code für die anschließende Synthese oft wenig optimiert bzw. teilweise sogar ungeeignet. Die Abhängigkeiten sind dabei so komplex, daß die erforderlichen manuellen Änderungen am Quellcode nur von Experten beherrscht werden. Vor einem blinden Vertrauen auf das Ergebnis dieser Werkzeugkette soll deshalb gewarnt werden: VHDL nur als Datenaustauschformat ohne Verständnis der Syntax und Semantik eingesetzt, kann leicht zu unbefriedigenden oder gar schlechten Ergebnissen führen. Deshalb sind Bücher, die das notwendige Hintergrundwissen zur Syntax und zur Interpretation der Sprache VHDL liefern, auch beim Einsatz modernster Entwicklungswerkzeuge unverzichtbar.

In dem vorliegenden Buch ist es den Autoren gelungen, erstmals eine umfassende deutschsprachige Einführung in Syntax und Semantik der Sprache VHDL sowie deren Anwendung für Simulation und Synthese zu geben und anhand von einfachen Beispielen zu erläutern. Damit wird zur Verbreitung von VHDL im deutschsprachigen Raum ein wichtiger Beitrag erbracht.

Karlsruhe, im März 1994
Prof. Dr.-Ing. K. D. Müller-Glaser

Inhalt

Teil A: Einführung

1  Entwurf elektronischer Systeme                 16
    1.1 Motivation                                16
    1.2 Entwurfssichten                           16
    1.3 Entwurfsebenen                            18
2   Motivation für eine normierte HDL             23
    2.1 Komplexität                               23
    2.2 Datenaustausch                            24
    2.3 Dokumentation                             25
3   Geschichtliche Entwicklung von VHDL           26
4   Aufbau einer VHDL-Beschreibung                29
    4.1 Schnittstellenbeschreibung (Entity)       29
    4.2 Architektur (Architecture)                29
    4.3 Konfiguration (Configuration)             30
    4.4 Package                                   30
    4.5 Beispiel eines VHDL-Modells               31
5   Entwurfssichten in VHDL                       33
    5.1 Verhaltensmodellierung                    33
    5.2 Strukturale Modellierung                  36
6   Entwurfsebenen in VHDL                        37
    6.1 Algorithmische Ebene                      37
    6.2 Register-Transfer-Ebene                   38
    6.3 Logikebene                                39
7   Design-Methodik mit VHDL                      40
    7.1 Entwurfsablauf                            40
    7.2 VHDL-Software                             43
8   Bewertung von VHDL                            46
    8.1 Vorteile von VHDL                         46
    8.2 Nachteile von VHDL                        50

Teil B: Die Sprache VHDL

1    Allgemeines                                  54
    1.1 VHDL'87 oder VHDL'93                      54
    1.2 Vorgehensweise und Nomenklatur            55
2   Sprachelemente                                56
    2.1 Sprachaufbau                              56
    2.2 Zeichensatz                               57
    2.3 Lexikalische Elemente                     59
    2.4 Sprachkonstrukte                          67
3   Objekte                                       71
    3.1 Objektklassen                             71
    3.2 Datentypen und Typdeklarationen           72
    3.3 Objektdeklarationen                       83
    3.4 Ansprechen von Objekten                   89
    3.5 Attribute                                 93
4   Aufbau eines VHDL-Modells                     94
    4.1 Bibliotheken                              94
    4.2 Schnittstellenbeschreibung (Entity)       97
    4.3 Architektur (Architecture)                99
    4.4 Konfiguration (Configuration)             102
    4.5 Package                                   102
    4.6 Abhängigkeiten beim Compilieren           104
5   Strukturale Modellierung                      106
    5.1 Komponentendeklaration und -inst.         108
    5.2 Block-Anweisung                           113
    5.3 Generate-Anweisung                        115
6   Verhaltensmodellierung                        119
    6.1 Operatoren                                121
    6.2 Attribute                                 130
    6.3 Signalzuw. und Verzögerungsmodelle        139
    6.4 Nebenläufige Anweisungen                  145
    6.5 Sequentielle Anweisungen                  152
    6.6 Unterprogramme                            163
7   Konfigurieren von VHDL-Modellen               176
    7.1 Konfiguration von Verhaltensmodellen      177
    7.2 Konfiguration von strukturalen Modellen   177
8   Simulationsablauf                             186
    8.1 Delta-Zyklus                              186
    8.2 Zeitverhalten von Zuweisungen             188
    8.3 Aktivierung zum letzten Delta-Zyklus      190
9   Besonderheiten bei Signalen                   193
    9.1 Signaltreiber und Auflösungsfkt.          193
    9.2 Kontrollierte Signalzuweisungen           197
    9.3 Kontrollierte Signale                     198
10  Gültigkeit und Sichtbarkeit                   201
    10.1    Gültigkeit                            201
    10.2    Sichtbarkeit                          202
11  Spezielle Modellierungstechniken              204
    11.1    Benutzerdefinierte Attribute          204
    11.2    Gruppen                               207
    11.3    Überladung                            209
    11.4    PORT MAP bei strukturalen Modellen    214
    11.5    File - I/O                            215
    11.6    Zeiger                                221
    11.7    Ext. Unterprogramme und Architekturen 227

Teil C: Anwendung von VHDL

1  Simulation                                     230
    1.1 Überblick                                 230
    1.2 Simulationstechniken                      232
    1.3 Simulationsphasen                         234
    1.4 Testumgebungen                            234
    1.5 Simulation von VHDL-Gatternetzlisten      240
2   Synthese                                      242
    2.1 Synthesearten                             242
    2.2 Einsatz der Syntheseprogramme             248
    2.3 Synthese von komb. Schaltungen            251
    2.4 Synthese von sequentiellen Schaltungen    263
    2.5 Optimierung der "Constraints"             269
    2.6 Ressourcenbedarf bei der Synthese         274

Teil D: Anhang

1  Packages                                       278
    1.1 Das Package standard                      278
    1.2 Das Package textio                        279
    1.3 IEEE-Package 1164                         281
2   VHDL-Übungsbeispiele                          288
    2.1 Grundlegende VHDL-Konstrukte              288
    2.2 Komplexe Modelle                          291
3   VHDL-Gremien und Informationsquellen          298
    3.1 VHDL-News-Group                           298
    3.2 VHDL International                        299
    3.3 VHDL Forum for CAD in Europe              299
    3.4 European CAD Standardization Initiative   300
    3.5 AHDL 1076.1 Working Group                 301
    3.6 VHDL Initiative Towards ASIC Libraries    302
    3.7 E-mail Synopsys Users Group               302
4   Disketteninhalt                               303

Literatur                                         304
Sachverzeichnis                                   309