Sistemas DigitaisII Anhanguera 7A Intro FPGA e VHDL Parte1
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Engenharia Elétrica7a série A
Prof. Guilherme Leal
• VHDL, uma introdução
• Esta linguagem nasceu devido a necessidade do Departamento de DefesaAmericano;
• Na década de 80, foi desenvolvido um padrão de projeto chamado VHSIC;
• VHSIC – Very High Speed Integrated System;
• VHDL – VHSIC Development Language;
• Empresas como IBM, Texas Instruments, participaram do projeto de especificação;
• A Intermetrics, outra empresa participante, especializada em software, tambémcontribui para o projeto;
• Com integrantes da conceituadaUniversidade de Cambridge, MIT, a Intermetrics participou também do ProjetoApollo que levou os americanos à Lua;
• Empresas como IBM, Texas Instruments, participaram do projeto de especificação;
• A Intermetrics, outra empresa participante, especializada em software, também contribuipara o projeto;
• Com integrantes da conceituada Universidadede Cambridge, MIT, a Intermetrics participoutambém do Projeto Apollo que levou osamericanos à Lua;
• A empresa foi adquirida na década de 90 e naatualidade, pertence a L3 Communications;
• Após a implementação do VHSIC e do VHDL, veio a padronização;
• A IEEE publicou em 1987 a primeira versão dalinguagem IEEE 1076-1987;
• A Atual versão do referido padrão é IEEE1076:2008;
• Outras padronizações foram discutidas, implementadas e publicadas;
• No momento oportuno, falaremos dos outrospadrões;
• Modelando Sistemas Digitais;
• No semestre passado, você experimentou o
projeto de sistemas digitais, que levavampáginas e páginas para serem devidamentedesejados;
• Voce utilizou ferramentas como: máquinas de estado finito, Flip-Flops, portas lógicas básicas, tabelas verdade, e criatividade para desenvolveros desafios de cada exercício;
• Modelando Sistemas Digitais;
• O Modelamento definido na máquina de
estado era cada vvez mais detalhado, atéchegar no circuito digital, que seria
solução do problema proposto;
• Foi um modo sistemático de projetar
circuitos digitais;
• Modelando Sistemas Digitais;
• Os métodos absorvidos até agora, não se
preocupavam muito com o circuitointegrado que seria utilizado: seria da
família TTL, CMOS, entre outras;
• Seria uma solução mista, com o emprego
de diferentes famílias de componentes?
• Modelando Sistemas Digitais;
• As FPGAs (Field Programming Gate
Arrays) criam uma flexibilidade importante;
• Vamos conhecer mais alguns aspectos
sobre esta família de componentes:
• FPGA foi idealizado por um empresa
chamada Xilinx em 1985;
• A Xilinx será tema de nosso curso, paraaprendermos outra linguagem de projeto.
Falaremos sobre no momento oportuno;
• O FPGA é uma família de CIs que possue
em sua arctetura, uma matrix de células
programáveis;
FPGA
• Cada célula programável possui uma arctetura como a apresentada:
• De um modo geral, cada celula de um CI
FPGA, possui o seguinte:
• CLB: Blocos Lógicos Configuraveis;
• BIOs: Blocos de I/O para interfaceamento
da célula com outras(interconexão
organizada em um arranjo matricial);
• BM: Blocos de memória, para armazenar
estados intermediários;
• Anatomia de um BLO
• Os Blocos lógicos são usualmenteconstituidos de Flip-Flops, ALUs, registradores e LUTs(Look Up Table);
• Os LUTs são muito utilizados em sistemasdigitais, uma vez que armazenamposições de memória, normalmente muitoutilizadas, permitindo que a recuperaçãode dados da memória seja muito maisrápida;
• Uma FPGA pode conter mais de 2 bilhõesde transistores;
• O Arranjo em matrix, a enorme quantidadede I/Os e a flexibilidade de programaçãopermite que as FPGAs operem com um grau de paralelismo espetacular;
• Podemos projetar dispositivos digitais queoperem a velocidades de I/O da ordem de 6GB/s ou mais!!!
• Uma FPGA pode conter mais de 2 bilhõesde transistores;
• O Arranjo em matrix, a enorme quantidadede I/Os e a flexibilidade de programaçãopermite que as FPGAs operem com um grau de paralelismo espetacular;
• Podemos projetar dispositivos digitais queoperem a velocidades de I/O da ordem de 6GB/s ou mais!!!
• VHDL e projetos com FPGAs
• Fluxo Básico de Projeto
• Modelagem VHDL
• Basicamente o trabalho começa peladefinição de um Entidade (entity), quepode ser representado por todo o seuprojeto ou partes dele;
• Para cada entidade, devemos definir as entradas e saídas;
• POsteriormente, passamos a arquiteturado corpo da entidade;
• Modelagem VHDL
• Na fase Architecture Body, podemosdefinir o comportamento que nossaentidade terá, sendo que desde 2000, o padrão permite que o comportamentotrabalhe com dados abstratos!!!;
• Em linguagens formais de programação, tais como, C/C++, nós poderemosencontrar estruturas de dados abstratas;
• Modelagem VHDL
• O Corpo da Arquiterura da entidade é
composto, por subsistemasinterconectados, também conhecidos
como Arquitetura estrutural do corpo da
entidade;
• Projetos com modelos;
• Talvez a modelagem seja uma das grandes
ferramentas que o Engenheiro tenha em suasmãos, não importando qual a sua especialidade;
• De posse de um modelo, podemos simular o comportamento do sistema, ou subsistemas, para verificar se este(s) atedem as necessidades de projeto. Muito antes de quequalquer componente seja comprado;
• Para que tudo saia como esperado, lançamos mãos de algumas ferramentas, que chamaremos aqui de fases:
• Análise, Elaboração e Execução;
• A programação em VHDL, como muitaslinguagens, utiliza o conceito de procedimentos, durante a análise, errosde sintax e semântica podem ser detectados e corrigidos;
• A fase de elaboração reduzimos todas as entidades interconectadas em uma meracoleção de sinais (nivel lógico) e processos; Aqui avaliamos se todas as variáveis possuem os níveis de sinalapropriados para o projeto;
• Na terceira fase, executamos o modelo, e verificamos se os eventos ocorrem de acordo com as necessidades do projeto;
• Sintaxe VHDL;
• Comentários (--):
• Sempre existe a necessidade de um
comentário no fonte. Hora para explicar
um procedimento, informar a versão do
conteúdo ou indicar algum ponto ainda
não plenamente implementado;
• Sintaxe VHDL;
• Comentários (--):
• Exemplo;
• -- Teste de sinalização
• Sintaxe VHDL;
• Indentificadores: A Identificação de
Entidades, procedimentos, entre outrosdeve utilizar os caracteres:
• ‘A’..’Z’, ‘a’..’z’, ‘0’..’9’, e o caracter ‘_’;
• Nomes devem iniciar com uma letra;
• Nunca terminar com ‘_’;
• Nunca utilizar dois ‘_’ consecutivos;
• Sintaxe VHDL;
• …
• Sintaxe VHDL;
• Exemplos / Exercícios
• 1) Desenvolva na linguagem VHDL um
dispositivo que se comporte como uma
porta NAND de 2 entradas e uma saída; A
saída deve ter um atraso de 20ns, com
relação as entradas.
• Sintaxe VHDL;
• Exemplos / Exercícios
• 1) Resolução
Definição da Entidade
Definição da Arquitetura da Entidade
Obrigado!!!Até a próxima aula