VHDL中Loop動態(tài)條件的可綜合轉化

摘要：論述VHDL中Loop語句動態(tài)表達式的可綜合性問題，提出三種解決方法：直接代入法、邊界擴充法和計數(shù)器法，并對比這三類方法的適用性。

關鍵詞：VHDL Loop動態(tài)條件 綜合子集 直接代入法 邊界擴充法 計數(shù)器法

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(nèi)引進和出版了不少教材，使其在國內(nèi)得到迅速推廣。由于VHDL最初目的是為了實現(xiàn)硬件的建模而被提出的，所以其措施能力超越了數(shù)字邏輯集成電路的范圍。而現(xiàn)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(tǒng)一，不少初學者很難掌握。即使是部分有經(jīng)驗的設計者，對于通常高級語言中都會涉及的循環(huán)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(shù)據(jù)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(fā)，討論如何在VHDL中解決這類問題。

1 無法綜合的Loop動態(tài)條件

VHDL中Loop表達式有三種體現(xiàn)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(huán)語句的表達能力大于常規(guī)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(huán)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)Temp loop

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(yōu)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(tài)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(huán)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。

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)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，這種使用方法要求設計者清楚循環(huán)條件一定會執(zhí)行的次數(shù)，否則將無法實施。當循環(huán)次數(shù)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(tài)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)Temp; --退出循環(huán)

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。

圖1 For語句的綜合示例

4 計數(shù)器法

計數(shù)器法是指引入時鐘和計數(shù)器，用計數(shù)器對邊界條件進行控制，也可以將動態(tài)表達式直接代入轉化相應的靜態(tài)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)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(huán)語句卻被取代了，因此，綜合產(chǎn)生門的數(shù)目將大幅度下降，但處理時間將相應延長到原來循環(huán)條件范圍。

本刊網(wǎng)絡補充版（http://www.dpj.com.cn）中發(fā)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(nèi)部都有相應注釋。其中計數(shù)器法改進為雙計數(shù)器方法。

結語

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