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VHDL中Loop动态条件的可综合转化

菜鸟
2008-08-01 10:50:15    评分


引言

VHDL是一种硬件描述语言,于1983年被IEEE制定为国际标准IEEE1076。近年来国内引进和出版了不少教

材,使其在国内得到迅速推广。由于VHDL最初目的是为了实现硬件的建模而被提出的,所以其措施能力

超越了数字逻辑集成电路的范围。而现有的EDA工具基本上只能支持VHDL的子集,特别是针对FPGA/CPLD

器件进行的不同的综合工具,其综合子集并非统一,不少初学者很难掌握。即使是部分有经验的设计者

,对于通常高级语言中都会涉及的循环语句,在VHDL中往往也不能运用自如,甚至无法表达此类逻辑,

从而限制了VHDL的应用水平。例如,VHDL的并行堆排序描述就是一个比较典型的例子。该实例十分类似

通常数据结构的描述,推广前景诱人;但只能通过仿真,却不能在目前任何一个EDA工具进行综合,导致

无实用价值。

本文从高级语言涉及最多的Loop语句出发,讨论如何在VHDL中解决这类问题。

1 无法综合的Loop动态条件

VHDL中Loop表达式有三种体现形式:While……Loop、For……Loop和单独的Loop语句。它还支持Next、

Exit和标号,因此,循环语句的表达能力大于常规的C或PASCAL语言。程序1是利用For语句和While语句

描述插入算法的部分代码。

程序1 不可综合的VHDL循环语句

……

for I in 2 to Length loop ---Length为一个变量

Temp:=MyList(I);

J:=I;

While(j>1)and MyList(j-1)<Temp loop

MyList(j):=MyList(j-1);

j:=j-1;

End loop;

MyList(j):=Temp;

End loop;

……

对于第一个For语句,EDA工具Synplify综合时将会给出无边界的范围错误提示。

@E:"H:.vhd"|for loops with unbound ranges should contain w wait statement

即使部分优秀的综合工具,例如ORCAD Express、Mentor Grpahs QuickHDL等能够综合第一个For语句,

也无法支持第二个While条例表达式。ORCAD Express将给出表达式不可静态计算的错误提示。

..vhd(45):Error,expression does not evaluate to a constant.

由于程序1在C程序员看来是没有问题的,因此,初学者往往不能解决好此类问题,从而使学习陷入困境

,无法充分利用VHDL来表述逻辑。

2 直接代换法

对于第一类无边界的范围错误问题,可以用循环的综合机制转化为相应的语句。例如下面代码:

for I in 0 to 1 loop

Out_Bus(i)<=In_Bus(i);

End loop;

其对应综合后的电路见图1。

相应的,也可以用下列语句直接代入代换:

Out_Bus(0)<=In_Bus(0);

Out_Bus(1)<=In_Bus(1);

程序1可以采用下列VHDL代码表示:

K:=2;

Temp:=MyList(2);

If(MyList(1)<Temp then

MyList(2):=MyList(1);

J:=1;

End if;

MyList(J):=Temp;

J:=3;

Temp:=MyList(3);

If(MyList(2)<Temp then

MyList(3):=MyList(2);

J:=2;

End if;

If(MyList(1)<Temp then

MyList(2):=MyList(1);

J:=1;

End if;

MyList(J):=Temp;

……

然而,这种使用方法要求设计者清楚循环条件一定会执行的次数,否则将无法实施。当循环次数比较大

时,代码编写工作量将十分庞大,因此可以采用第二种方法——边界扩充法。
3 边界扩充法

边界扩充法是指在边界未定时,可以将边界定为最大可能的范围,即用静态表达来替代。例如程序1的代

码可以改写为:

constant MAX:integer=100; --MAX必须大于MyLen所有可能的取值

……

Out_loop:for I in 2 to MAX loop

Exit out_loop when I>MyLen; --MyLen为变量

Temp:=MyList(I);

countj:=I;

inter_loop:for j in I downto 2 loop

countj:=j;

exit inter_loop when MyList(j-1)<Temp; --退出循环

MyList(j):=MyList(j-1);

End loop;

MyList(countj):=Temp;

End loop;

尽管这种方法可以处理未知边界和未定表达式的情况,但十分消耗空间,特别是当MyLen相对MAX比较小

的时候,代价非常大。此时,可以利用时间换空间的方法进行转换。

图1 For语句的综合示例

4 计数器法

计数器法是指引入时钟和计数器,用计数器对边界条件进行控制,也可以将动态表达式直接代入转化相

应的静态表达式。例如,上述代码的For条件可以用下列代码替换:

if(Reset='1')then

I:=2;

Elsif clk='1'and clk'event then

Temp:=MyList(I);

J:=2;

While(j>1)and MyList(j-1)<Temp loop

MyList(j):=MyList(j-1);

j:=j-1;

End loop;

MyList(j):=Temp;

I:=(I+1);

If(I=MyLen+1)then I:=2;end if;

End if;

相比原来的代码,引入了1个时钟和1个复位。但综合开销最大的循环语句却被取代了,因此,综合产生

门的数目将大幅度下降,但处理时间将相应延长到原来循环条件范围。

本刊网络补充版(http://www.dpj.com.cn)中发表了四个源代码,分别为不可综合例子、直接代换法、

边界扩充法和计算器法,内部都有相应注释。其中计数器法改进为双计数器方法。
结语

以上三种方法各有优缺点,不可一概而论,可以根据实际情况处理。直接代换法一般用于循环次数少的

情况;边界扩充法一般用于循环次数接近最大边界时;计数器方法一般用于芯片内部时钟相对信号时钟

快许多的情况。

 




关键词: 动态     条件     综合     转化     循环     语句     MyList         

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