VHDL-Synthese. Entwurf digitaler Schaltungen und Systeme

7 Struktureller VHDL-Entwurf (S. 153)

Dieses Kapitel widmet sich dem strukturellen Entwurf, also der systematischen Gliederung und Entwicklung größerer Digitalschaltungen. Mit dieser Methode wird das bekannte Netzlistenkonzept beim Schaltungsentwurf auf einer höheren Abstraktionsebene verwendet: Verschiedene bereits entworfene entity/architecture-Paare werden als Kom- ponenten durch lokale Signale miteinander verbunden und bilden somit ein strukturiertes Gesamtsystem.

Zusammen mit der Verwendung von Prozeduren und Funktionen werden damit Werkzeuge zur Verfügung gestellt, mit denen ein Bottom-Up- bzw. Top-Down- Entwurfskonzept für hierarchisch strukturierte Systeme umgesetzt werden kann. Die Einbindung der von CPLD- und FPGA-Herstellern in zunehmend größerem Umfang zur Verfügung gestellten optimierten Schaltungsmakros in VHDL soll in diesem Kapitel ebenfalls erläutert werden.

Diese reichen von einfachen RAM- oder ROM-Zellen über Filterstrukturen bis hin bis zu vollständigen PCI-Bus-Schnittstellen. Die aufgezeigten Konzepte reichen bis zur Wiederverwendung kompletter Teilsysteme (Design Reuse) aus eigenen und externen Entwicklungsabteilungen (Intellectual Property). Zusammen mit der zunehmenden Hardware-Strukturverfeinerung von ASIC- und Prozessor-Chips wird der Entwurf kompletter Systeme auf einem Chip ermöglicht (System on a Chip).

Als grundlegendes Modell für die Strukturierung digitaler Systeme mit umfangreichen Datenmanipulationen, z.B. in (Co-)Prozessoren hat sich das Modell der Aufteilung in Datenpfad und Steuerpfad bewährt (vgl. Bild 7-1) [8], [28], [41]:

 ,Im Datenpfad befinden sich z.B. alle Arithmetikkomponenten zur Daten- bzw. Signalverarbeitung, Speicher und Multiplexer. Dies sind kombinatorische und getaktete Schaltungselemente, deren Funktion durch Steuersignale kontrolliert wird und die neben den Datenpfadausgangssignalen auch Statussignale erzeugen.

 ,Der Steuerpfad besteht in der Regel aus einem Zustandsautomaten, zu dessen Eingängen die Statussignale des Datenpfads gehören und der die Steuersignale für die Datenpfadkomponenten erzeugt.

Vor Beginn des VHDL-Codeentwurfs ist also zunächst mit den z.B. in [41] vorgestellten Entwurfsmethoden ein handschriftliches Blockdiagramm zu entwerfen. Dieses enthält alle Datenpfadelemente, die für die Erfüllung der Systemfunktion erforderlich sind. Außerdem sollte in einer Signalliste festgehalten werden:

 ,welche Steuersignale in den einzelnen Datenpfadelementen welche Funktion initiieren, bzw.

 ,welche Statussignale von den einzelnen Datenpfadelementen erzeugt werden.

Nach Studium dieses Kapitels sollte der Leser in der Lage sein, ein durch ein Blockdiagramm vorgegebenes digitales System in ein hierarchisch strukturiertes Modell umzusetzen und für die einzelnen Module geeignete VHDL-Syntaxkonstrukte auszuwählen. Soweit möglich und erforderlich sollen herstellerspezifische Schaltungsmakros eingesetzt werden können. Eine detaillierte Checkliste zum Systementwurf findet sich im Anhang 10.2.

7.1 Ziele und Methoden der SystempartitionierungDie in den vorangegangenen Kapiteln betrachteten einfachen VHDL-Strukturierungselemente wie nebenläufige Anweisungen und Prozesse reichen für den Entwurf komplexerer Digitalschaltungen nicht aus. Vielmehr müssen die aus dem Software-Engineering bekannten Entwurfskonzepte auf den Schaltungsentwurf übertragen werden [33], [28]. Nachfolgend sollen diese zusammen mit den VHDL-Lösungsansätzen vorgestellt werden: Hierarchische Strukturierung des Entwurfs:

Das ist die Partitionierung einer komplexen Entwurfsaufgabe in Teilaufgaben sowie deren weitere Gliederung in noch kleinere Einheiten, solange bis die Teilprobleme mit einfachen Lösungsansätzen zu beschreiben sind. Mit Hilfe von Komponenten (component) lässt sich eine hierarchische Problemlösung erreichen. Ergebnis der Synthese ist letztlich eine hierarchische Netzliste.

 ,Lokalität der Module und Signale:
Das ist die Forderung, dass die einzelnen Module zur Lösung der Teilprobleme keine Seiteneffekte auf benachbarte Schaltungsteile aufweisen.