SINTESIS Y DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES UTILIZANDO VHDL ANTECEDENTES

Transcripción

1 ANTECEDENTES En los últimos diez años la industria electrónica ha tenido una gran evolución en el desarrollo de sistemas digitales; desde computadoras personales, sistemas de audio y vídeo hasta dispositivos de alta velocidad para las comunicaciones. Productos hechos con una alta tecnología que permite aumentar la funcionalidad, disminuir costos, mejorar el aprovechamiento de la energía, así como una marcada tendencia hacia la miniaturización. Esto ha sido posible gracias a la implementación de herramientas de diseño asistidos por computadora, conocidas como herramientas CAD (Computer Aided Design), aunque específicamente se hace uso de herramientas EDA (Electronic Design Automation), que es el nombre que se le da a todas las herramientas CAD para el diseño de sistemas electrónicos. Este software de diseño electrónico que facilita a los ingenieros el desarrollo de circuitos es cada vez mas sofisticado y, además, contamos con computadoras cada vez más veloces y de mayor capacidad de procesamiento. Ambos, hardware y software, constituyen actualmente herramientas muy importantes que simplifican el trabajo de diseño electrónico. Además de facilitar el trabajo, el uso de herramientas EDA también aceleró los procesos de diseño. Esta situación condujo a adoptar nuevas metodologías para el diseño y evaluación de los circuitos electrónicos. El uso de las herramientas EDA junto con los dispositivos lógicos programables, que pueden ser utilizados en diferentes aplicaciones e inclusive reprogramados, cambiaron bastante el concepto de diseño de circuitos digitales. VHDL es un lenguaje que se creó para el diseño, modelado y documentación de circuitos complejos. Actualmente se le utiliza para la síntesis de circuitos digitales utilizando dispositivos lógicos programables. Es así como los dispositivos lógicos programables y VHDL, Very High Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language, constituyen los elementos fundamentales para estas nuevas metodologías de diseño. El presente trabajo considera los dispositivos lógicos programables, enfocándonos en los PLDs, CPLDs y FPGAs. Ya que el principal motivo por el que debemos aprender a utilizar VHDL es el de diseñar circuitos lógicos utilizando este tipo de dispositivos. Se expondrán los estilos elementales de codificación, exponiendo las principales características de VHDL como lenguaje para síntesis de circuitos. Finalmente se desarrolla la implementación de filtros digitales utilizando FPGAs. i

2 ÍNDICE ANTECEDENTES i 1. LENGUAJES DE DESCRIPCIÓN DE HARDWARE INTRODUCCIÓN EL CONCEPTO DE HERRAMIENTAS CAD-EDA LENGUAJES DE DESCRIPCIÓN DE HARDWARE VENTAJAS DE LOS HDLS VHDL METODOLOGÍA DE DISEÑO UTILIZANDO VHDL 6 2. DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES CONCEPTOS FUNDAMENTALES DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES MATRIZ GENÉRICA PROGRAMABLE COMPLEX PROGRAMMABLE LOGIC DEVICES MATRIZ DE INTERCONEXIONES PROGRAMABLES BLOQUES LÓGICOS DISTRIBUCIÓN DE PRODUCTOS MACROCELDAS CELDA DE ENTRADA/SALIDA FIELD PROGRAMMABLE LOGIC DEVICES CELDAS LÓGICAS SINTAXIS DEL LENGUAJE INTRODUCCIÓN A LA DESCRIPCIÓN EN VHDL DE CIRCUITOS 18 DIGITALES MULTIPLEXORES COMPARADORES EL ESTILO DE PROGRAMACIÓN EN VHDL IDENTIFICADORES OBJETOS DE DATOS CONSTANTES 21 ii

3 VARIABLES SEÑALES ALIAS TIPOS DE DATOS TIPOS ESCALARES TIPOS COMPUESTOS SUBTIPOS TIPOS PREDEFINIDOS EN VHDL TIPOS NO SOPORTADOS EN VHDL PARA SÍNTESIS OPERADORES OPERADORES LÓGICOS OPERADORES DE COMPARACIÓN OPERADORES DE ADICIÓN OPERADORES DE MULTIPLICACIÓN OPERADORES MISCELÁNEOS OPERADORES DE ASIGNACIÓN OPERADORES DE ASOCIACIÓN OPERADORES DE CORRIMIENTO OPERACIONES CON VECTORES ATRIBUTOS ENTIDADES GENÉRICOS PUERTOS MODOS ARQUITECTURAS DESCRIPCIONES DE FLUJO DE DATOS INSTRUCCIONES CONCURRENTES ESTRUCTURAS DE EJECUCIÓN CONCURRENTE ALU DESCRIPCIONES COMPORTAMENTALES INSTRUCCIONES SECUENCIALES PROCESOS DIFERENCIAS ENTRE SEÑALES Y VARIABLES ESTRUCTURAS DE EJECUCIÓN SECUENCIAL DESCRIPCIONES ESTRUCTURALES 42 iii

4 COMPONENTES INSTANCIACIÓN DE COMPONENTES SENTENCIAS DE GENERACIÓN SUBPROGRAMAS PROCEDIMIENTOS FUNCIONES LLAMADO A SUBPROGRAMAS SOBRECARGA DE OPERADORES LIBRERÍAS SÍNTESIS DE LIBRERÍAS EN WARP PAQUETES DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES PROYECTOS EN WARP SIMULACIÓN DE PROYECTOS PROCESO DE SIMULACIÓN COMPARADORES MULTIPLEXORES DESCRIPCIÓN DE FLUJO DE DATOS DESCRIPCIÓN COMPORTAMENTAL DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL SUMADORES SUMADOR TOTAL SUMADOR DE CUATRO BITS SYNTHESIS OFF REGISTROS CONTADORES ALU DE CUATRO BITS DESCRIPCIÓN ESTRUCTURAL DESCRIPCIÓN COMPORTAMENTAL MÁQUINAS DE ESTADO IMPLEMENTACIÓN DE FILTROS DIGITALES EN FPGA'S INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES 84 iv

5 5.3. MARCO TEÓRICO FILTROS FIR FILTROS IIR METODOLOGÍA DE DISEÑO PARA FILTROS DIGITALES IMPLEMENTACIÓN EN FPGA'S DISEÑO DE UN FILTRO PASA-BAJAS RESULTADOS 93 CONCLUSIONES 95 BIBLIOGRAFÍA 97 v