Simulering av VHDL

Innledning

Hensikten med denne oppgaven er å få et lite innblikk i bruk av høynivåspråk for simulering og uttesting av kretsløsninger. I denne oppgaven skal vi bruker VHDL (Very high speed integrated circuit Hardware Description Language), som er spesielt utviklet for elektronikk. VHDL er definert slik at det passer i en mengde sammenhenger, og er det vil derfor være uoverkommelig å gå inn på detaljer i denne oppgaven. Vi skal ta for oss noen eksempler:

• Eksempel 1: Signalflyt i en SR-lås.

• Eksempel 2: Signaler og variable.

Hvert eksempel beskrives med VHDL som vist i kurskompendiet. I tillegg til VHDL-koden i eksempel 1 trengs en ENTITY-del og en ARCHITECTURE-konstruksjon som omslutter selve programlinjene. Et VHDL program består i hovedsak av ENTITY, som definerer tilkobling mellom programmet og omverden, og ARCHITECTURE, som definerer programmets funksjon. Den komplette VHDL-koden for eksempel 6.1 i kurskompendiet er vist nederst i dette dokumentet.

Mentor Graphics har utviklet programvare (Modelsim) som gjør det mulig å simulere og debugge VHDL-kode. Design architect kan brukes til å skrive og kompilere VHDL-programmene, men det anbefales å bruke en teksteditor i VHDL-modus, f.eks Emacs. Modelsim brukes til simulering. Fremgangsmåten for skriving, kompilering og simulering av VHDL-kode finner du under.

Skriving av VHDL kode

En ny VHDL kode (et design beskrevet med VHDL kode) påbegynnes med å starte emacs (eller en den innebygde teksteditoren i ModelSim).

Det fine med emacs er at man kan velge VHDL-modus. Dette gjøres med å skrive M-x vhdl-mode (M står for Meta og er vanligvis definert som esc-knappen). I emacs har en menyer med alle valg oppe langs kanten som i andre teksteditorer, men programmet skiller seg litt ut med kommandolinjen nederst i vinduet. Når en f. eks. skal lagre filen en har skrevet blir denne kommandolinjen aktiv og en skriver inn sti og filnavn der. Når man lagrer er ikke navnet på kodefilen viktig, men det er fornuftig å kalle den det samme som ENTITY-delen, med .vhdl som "etternavn". (F. eks. sr_latch.vhdl)

Kompilering av VHDL kode

Simuleringsverktøyet for VHDL (og verilog) heter Modelsim, og startes med kommandoen

vsim &

kommandoen (aliaset) mentor sørger for velge riktige stier og miljøvariable.

Start et nytt prosjekt med

 File > New > Project

Velg et fornuftig navn og katalog.

Før man kan kompilere koden må man sette mappen man ønsker at biblioteket av de kompilerte kodene skal ligge. Dette kan gjøres med:

 vlib work

Mappen work blir da bibliotekmappen.

Kommandoen (aliaset) mentor sørger for velge riktige stier og miljøvariable.

Når dette er gjort kompileres koden ved

 vcom sr_latch.vhdl

Hvis det er feil i koden vil disse listes opp. Feilmeldingen har en henvisning til linjenummer, som kan brukes til å lokalisere feilen i teksteditoren.

Merk at navnet til det kompilerte designet blir skrevet med små bokstaver, selv om du har brukt store bokstaver i ENTITY- eller ARCHITECTURE-navnet. Det kompilerte designet blir liggende i work-katalogen.

Simulering og debugging i Modelsim

Når koden kompilerer feilfritt kan den simuleres i Modelsim. Dette startes med:

 vsim &

Modelsim bruker et standard X-basert vindusoppsett, og er derfor noen forskjellig fra de andre Mentor-programmene. Når du starter simulatoren åpnes det et vindu som vist i figur 1. Begynn med å åpne diverse vinduer:

• View > Source

• View > Signals

Man kan også gi kommandoer i ModelSim-vinduet. F.eks.

 Wave *

Signalverdier settes med kommandoen 'force' eller med

 Force > Force (i "Signals" vinduet)

Dersom et av signalene skal være klokkesignal, kan dette gjøres enkelt med

 Force > Clock (i "Signals" vinduet)

Eksempel: Signalflyt i en SR-lås

Simuler SR-låsen. Begynn med å påtrykke stimuli til alle signaler ved tid 0 (t0). Bruk STEP-knappen for å simulere på delta-tid-nivå. (Om en holder musepekeren over knappene i ModelSim, kommer det en forklarende tekst opp.) Når verdiene er stabile kjører du i f.eks. 100 ns før du endrer stimuli (skriv run 100 i et av vinduene). Tilsvarende kan du endre stimuli ved å skrive f.eks. force S 0 i hoved-vinduet. Legg merke til den røde pilen som peker på den linjen som blir utført.

Hvis du vil begynne på ny kan du velge

 File > Restart -f

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
 
ENTITY SR_latch IS
  PORT (
        S,R  : IN std_logic ;
        Q,QB : INOUT std_logic );
END SR_latch;
 
-------------------------------------------------------------------------------
 
ARCHITECTURE behave OF SR_latch IS
 
BEGIN  --  behave
   Q <= S nand QB;
   QB <= R nand Q;
END behave;

Eksempel: Signaler og variable

Simuler VHDL-koden i eksempel 6.3 i kompendiet. Bruk Step eller Step Over for å følge prosedyrens utvikling linje for linje.

Bruk View > Variables for å kikke på innholdet i variablene. Forklar endringene i signaler og variable.

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
  
ENTITY sign_var IS
  PORT (CLK  : IN std_logic);
END sign_var;
  
-------------------------------------------------------------------------------
  
ARCHITECTURE difference OF sign_var IS
 
   signal SA: bit := '0';
   signal SB: bit := '1';
 
begin  --  difference
   process
      variable A: bit := '0';
      variable B: bit := '1';
   begin
     wait until rising_edge(clk);
     A := B;
     B := A;
     SA <= SB after 5 ns;
     SB <= SA after 5 ns;
   end process;
END architecture difference;