如何在VHDL中解決綜合工具使用轉化問題

引言

VHDL是一種硬件描述語言，于1983年被IEEE制定為國際標準IEEE1076。近年來國內引進和出版了不少教材，使其在國內得到迅速推廣。由于VHDL最初目的是為了實現硬件的建模而被提出的，所以其措施能力超越了數字邏輯集成電路的范圍。而現有的EDA工具基本上只能支持VHDL的子集，特別是針對FPGA/CPLD器件進行的不同的綜合工具，其綜合子集并非統一，不少初學者很難掌握。即使是部分有經驗的設計者，對于通常高級語言中都會涉及的循環語句，在VHDL中往往也不能運用自如，甚至無法表達此類邏輯，從而限制了VHDL的應用水平。例如，VHDL的并行堆排序描述就是一個比較典型的例子。該實例十分類似通常數據結構的描述，推廣前景誘人；但只能通過仿真，卻不能在目前任何一個EDA工具進行綜合，導致無實用價值。

本文從高級語言涉及最多的Loop語句出發，討論如何在VHDL中解決這類問題。

1 無法綜合的Loop動態條件

VHDL中Loop表達式有三種體現形式：While……Loop、For……Loop和單獨的Loop語句。它還支持Next、Exit和標號，因此，循環語句的表達能力大于常規的C或PASCAL語言。程序1是利用For語句和While語句描述插入算法的部分代碼。

程序1 不可綜合的VHDL循環語句

……

for I in 2 to Length loop ---Length為一個變量

Temp：=MyList（I）；

J：=I；

While（j》1）and MyList（j-1） MyList（j）：=MyList（j-1）;

j：=j-1;

End loop;

MyList（j）：=Temp；

End loop;

……

對于第一個For語句，EDA工具Synplify綜合時將會給出無邊界的范圍錯誤提示。

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

即使部分優秀的綜合工具，例如ORCAD Express、Mentor Grpahs QuickHDL等能夠綜合第一個For語句，也無法支持第二個While條例表達式。ORCAD Express將給出表達式不可靜態計算的錯誤提示。

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

由于程序1在C程序員看來是沒有問題的，因此，初學者往往不能解決好此類問題，從而使學習陷入困境，無法充分利用VHDL來表述邏輯。

2 直接代換法

對于第一類無邊界的范圍錯誤問題，可以用循環的綜合機制轉化為相應的語句。例如下面代碼：

for I in 0 to 1 loop

Out_Bus（i）《=In_Bus（i）；

End loop；

其對應綜合后的電路見圖1。

圖1 For語句的綜合示例

相應的，也可以用下列語句直接代入代換：

Out_Bus（0）《=In_Bus（0）;

Out_Bus（1）《=In_Bus（1）；

程序1可以采用下列VHDL代碼表示：

K：=2；

Temp：=MyList（2）;

If（MyList（1） MyList（2）：=MyList（1）;

J：=1;

End if;

MyList（J）：=Temp;

J：=3;

Temp：=MyList（3）;

If（MyList（2） MyList（3）：=MyList（2）;

J：=2;

End if;

If（MyList（1） MyList（2）：=MyList（1）;

J：=1;

End if;

MyList（J）：=Temp;

……

然而，這種使用方法要求設計者清楚循環條件一定會執行的次數，否則將無法實施。當循環次數比較大時，代碼編寫工作量將十分龐大，因此可以采用第二種方法——邊界擴充法。

3 邊界擴充法

邊界擴充法是指在邊界未定時，可以將邊界定為最大可能的范圍，即用靜態表達來替代。例如程序1的代碼可以改寫為：

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

……

Out_loop:for I in 2 to MAX loop

Exit out_loop when I》MyLen; --MyLen為變量

Temp：=MyList（I）;

countj：=I;

inter_loop:for j in I downto 2 loop

countj：=j;

exit inter_loop when MyList（j-1） MyList（j）：=MyList（j-1）;

End loop;

MyList（countj）：=Temp;

End loop;

盡管這種方法可以處理未知邊界和未定表達式的情況，但十分消耗空間，特別是當MyLen相對MAX比較小的時候，代價非常大。此時，可以利用時間換空間的方法進行轉換。

4 計數器法

計數器法是指引入時鐘和計數器，用計數器對邊界條件進行控制，也可以將動態表達式直接代入轉化相應的靜態表達式。例如，上述代碼的For條件可以用下列代碼替換：

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） 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;

相比原來的代碼，引入了1個時鐘和1個復位。但綜合開銷最大的循環語句卻被取代了，因此，綜合產生門的數目將大幅度下降，但處理時間將相應延長到原來循環條件范圍。

本刊網絡補充版中發表了四個源代碼，分別為不可綜合例子、直接代換法、邊界擴充法和計算器法，內部都有相應注釋。其中計數器法改進為雙計數器方法。

結語

以上三種方法各有優缺點，不可一概而論，可以根據實際情況處理。直接代換法一般用于循環次數少的情況；邊界擴充法一般用于循環次數接近最大邊界時；計數器方法一般用于芯片內部時鐘相對信號時鐘快許多的情況。

責任編輯：gt