Difference between revisions of "Synthese av VHDL"

m (Modelsim)
(Updated to Vivado)
Line 7: Line 7:
 
==Precision==
 
==Precision==
  
Pass på at lisensen for Quartus er korrekt satt opp, og at Precision finner Quartus.
+
Precision bruker Vivado til å syntetisere vhdl-koden. For å starte synteseprogrammet:
  
Precision bruker Quartus til å syntetisere vhdl-koden. For å starte synteseprogrammet:
+
export LM_LICENSE_FILE=1717@lisensserver;2100@lisensserver
 +
source /eda/mentor/2019-20/scripts/PRECISION_2019.1.1_RHELx86.sh
 +
precision
  
  source /eda/mentor/2018-19/scripts/PRECISION_2018.1_RHELx86.sh
+
Pass på at Precision finner Vivado, settes i menyen:
precision
+
Tools > Options > Place and Route Settings
 +
deretter
 +
Vivado > Integrated Place and Route > path to Xilinx Vivado installation tree
 +
settes til
 +
  /eda/xilinx/Vivado/2020.2
  
Vel deretter New Project, og deretter Add input file(i dette tilfelle alu_example.vhdl).  
+
Vel deretter New Project, og deretter Add input file(i dette tilfelle add_sub_alu.vhd).
Så går vi inn på Setup design, velger ein kretsprodusent, den ønska kretsen og designfrekvens, for eksempel Cyclone V med frekvens 200MHz. For å få ut en vhdl fil av den syntetiserte koden må en gå på Tools->Options->Output og hak av for VHDL og trykk ok.
+
Så går vi inn på Setup design, velger ein kretsprodusent, den ønska kretsen og designfrekvens, for eksempel Zynq med frekvens 200MHz. For å få ut en vhdl fil av den syntetiserte koden må en gå på Tools->Options->Output og hak av for VHDL og trykk ok.
 
Trykk så compile, og synthesize.  
 
Trykk så compile, og synthesize.  
 
No kan vi sjå på den generte kretsen i RTL Schematic og Technology Schematic(syntese med den valgte kretsen) under Schematics på venstre side.
 
No kan vi sjå på den generte kretsen i RTL Schematic og Technology Schematic(syntese med den valgte kretsen) under Schematics på venstre side.
Line 25: Line 31:
 
==Modelsim==
 
==Modelsim==
  
Start opp Modelsim, lag nytt prosjekt og legg til vhdl fila(alu_example.vhdl). Så legg vi til fila som Precision generte i prosjektdir til 'precision/prosjektnavn_temp_1/prosjektnavn.vhd' (i vårt tilfelle 'alu/add_sub_alu_temp_1/add_sub_alu.vhd').
+
Start opp Modelsim, lag nytt prosjekt og legg til vhdl fila(add_sub_alu.vhdl). Så legg vi til fila som Precision generte i prosjektdir til 'precision/prosjektnavn_temp_1/prosjektnavn.vhd' (i vårt tilfelle 'alu/add_sub_alu_temp_1/add_sub_alu.vhd').
  
 
Vi trenger simuleringsbibliotek for den valgte kretsfamilien for å kunne simulere etter "Place and Route". Disse bibliotekene kan genereres fra Quartus med menyen Tools > Launch EDA Simulation Simulation Library Compiler.
 
Vi trenger simuleringsbibliotek for den valgte kretsfamilien for å kunne simulere etter "Place and Route". Disse bibliotekene kan genereres fra Quartus med menyen Tools > Launch EDA Simulation Simulation Library Compiler.
Line 61: Line 67:
 
==Kode==
 
==Kode==
  
===Kode til alu_example.vhdl===
+
===Kode til add_sub_alu.vhd===
  
 
<pre>
 
<pre>
Line 69: Line 75:
  
 
ENTITY add_sub_alu IS
 
ENTITY add_sub_alu IS
  PORT (clk, rst   : IN  std_logic;
+
PORT (
 +
  clk         : IN  std_logic;
 +
  rst         : IN  std_logic;
 
   enable_in  : IN  std_logic;
 
   enable_in  : IN  std_logic;
 
   start      : IN  std_logic;
 
   start      : IN  std_logic;
Line 77: Line 85:
 
   do_hold    : IN  std_logic;
 
   do_hold    : IN  std_logic;
 
   data_in    : IN  std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
 
   data_in    : IN  std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
   data_out    : OUT std_logic_vector (3 DOWNTO 0) BUS);
+
   data_out    : OUT std_logic_vector(3 DOWNTO 0) BUS);
 
END add_sub_alu;
 
END add_sub_alu;
  
 
ARCHITECTURE algorithm OF add_sub_alu IS
 
ARCHITECTURE algorithm OF add_sub_alu IS
TYPE states IS (hold, reset, add, subtract);
+
  TYPE   states         IS (hold, reset, add, subtract);
SIGNAL state_var : states;
+
  SIGNAL state_var       : states;
SIGNAL reg, int_reg : std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
+
  SIGNAL reg, int_reg   : std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
SIGNAL latched_data_in: std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
+
  SIGNAL latched_data_in : std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
 
BEGIN
 
BEGIN
  
 
latch: PROCESS (enable_in, data_in)is
 
latch: PROCESS (enable_in, data_in)is
 
BEGIN
 
BEGIN
IF (enable_in = '1') THEN
+
  IF (enable_in = '1') THEN
latched_data_in <= data_in;
+
    latched_data_in <= data_in;
END IF;
+
  END IF;
 
END PROCESS latch;
 
END PROCESS latch;
  
 
fsm: PROCESS (clk, rst) is
 
fsm: PROCESS (clk, rst) is
 
BEGIN
 
BEGIN
IF (rst = '0') THEN
+
  IF (rst = '0') THEN
state_var <= reset;
+
    state_var <= reset;
ELSIF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN
+
  ELSIF rising_edge(clk) THEN
CASE state_var IS
+
    CASE state_var IS
WHEN hold     => IF (start = '1') THEN
+
      WHEN hold =>
state_var <= reset;
+
        IF (start = '1') THEN
END IF;
+
          state_var <= reset;
WHEN reset    => IF (do_add = '1') THEN
+
        END IF;
state_var <= add;
+
      WHEN reset    =>
ELSIF (do_subtract = '1') THEN
+
        IF (do_add = '1') THEN
state_var <= subtract;
+
          state_var <= add;
END IF;
+
        ELSIF (do_subtract = '1') THEN
WHEN add      => IF (do_hold = '1') THEN
+
          state_var <= subtract;
state_var <= hold;
+
        END IF;
ELSIF (do_subtract = '1') THEN
+
      WHEN add      =>
state_var <= subtract;
+
        IF (do_hold = '1') THEN
END IF;
+
          state_var <= hold;
WHEN subtract => IF (do_hold = '1') THEN
+
        ELSIF (do_subtract = '1') THEN
state_var <= hold;
+
          state_var <= subtract;
ELSIF (do_add = '1') THEN
+
        END IF;
state_var <= add;
+
      WHEN subtract =>
END IF;
+
        IF (do_hold = '1') THEN
WHEN OTHERS => state_var <= reset;
+
          state_var <= hold;
END CASE;
+
        ELSIF (do_add = '1') THEN
END IF;
+
          state_var <= add;
 +
        END IF;
 +
      WHEN OTHERS => state_var <= reset;
 +
    END CASE;
 +
  END IF;
 
END PROCESS fsm;
 
END PROCESS fsm;
  
Line 126: Line 138:
 
BEGIN
 
BEGIN
 
CASE state_var IS
 
CASE state_var IS
WHEN add      => int_reg <= reg + latched_data_in;
+
  WHEN add      => int_reg <= reg + latched_data_in;
WHEN subtract => int_reg <= reg - latched_data_in;
+
  WHEN subtract => int_reg <= reg - latched_data_in;
WHEN reset    => int_reg <= "0000";
+
  WHEN reset    => int_reg <= (others => '0');
WHEN hold    => int_reg <= reg;
+
  WHEN hold    => int_reg <= reg;
WHEN OTHERS  => int_reg <= reg;
+
  WHEN OTHERS  => int_reg <= reg;
 
END CASE;
 
END CASE;
 
END PROCESS alu;
 
END PROCESS alu;
Line 136: Line 148:
 
mem: PROCESS (clk) is
 
mem: PROCESS (clk) is
 
BEGIN
 
BEGIN
IF (clk'EVENT AND clk = '1') THEN
+
  IF rising_edge(clk) THEN
reg <= int_reg;
+
    reg <= int_reg;
END IF;
+
  END IF;
 
END PROCESS mem;
 
END PROCESS mem;
  
 
tri: PROCESS (enable, reg) is
 
tri: PROCESS (enable, reg) is
 
BEGIN
 
BEGIN
FOR i IN 3 DOWNTO 0 LOOP
+
  FOR i IN 3 DOWNTO 0 LOOP
IF (enable = '1') THEN
+
    IF (enable = '1') THEN
data_out(i) <= reg(i);
+
      data_out(i) <= reg(i);
ELSE
+
    ELSE
data_out(i) <= 'Z';
+
      data_out(i) <= 'Z';
END IF;
+
    END IF;
END LOOP;
+
  END LOOP;
 
END PROCESS tri;
 
END PROCESS tri;
  
END algorithm;
+
END algorithm;</pre>
</pre>
 
  
 
===Koden til alu_tb.vhdl===
 
===Koden til alu_tb.vhdl===

Revision as of 14:52, 4 February 2021

Syntetiseringen av VHDL kode

Grunnen til at vi skal syntetisere koden, er at vi må lage beskrivelse av koden tilpassa ein krets.

Vi vil no prøve å synthesisere vhdl kode. Og etterpå vil vi lage ein testbenk der vi samanliknar utsignala frå den syntetiserte og den opprinnelige koden. Vi bruker ein alu som eksempel.

Precision

Precision bruker Vivado til å syntetisere vhdl-koden. For å starte synteseprogrammet:

export LM_LICENSE_FILE=1717@lisensserver;2100@lisensserver
source /eda/mentor/2019-20/scripts/PRECISION_2019.1.1_RHELx86.sh
precision

Pass på at Precision finner Vivado, settes i menyen:

Tools > Options > Place and Route Settings

deretter

Vivado > Integrated Place and Route > path to Xilinx Vivado installation tree

settes til

/eda/xilinx/Vivado/2020.2

Vel deretter New Project, og deretter Add input file(i dette tilfelle add_sub_alu.vhd). Så går vi inn på Setup design, velger ein kretsprodusent, den ønska kretsen og designfrekvens, for eksempel Zynq med frekvens 200MHz. For å få ut en vhdl fil av den syntetiserte koden må en gå på Tools->Options->Output og hak av for VHDL og trykk ok. Trykk så compile, og synthesize. No kan vi sjå på den generte kretsen i RTL Schematic og Technology Schematic(syntese med den valgte kretsen) under Schematics på venstre side.

Hvis du får en "ROOTDIR"-error, mangler det en variabel. Skriv følgende i terminalen:

setenv QUARTUS_ROOTDIR /prog/altera/11.1/quartus

Modelsim

Start opp Modelsim, lag nytt prosjekt og legg til vhdl fila(add_sub_alu.vhdl). Så legg vi til fila som Precision generte i prosjektdir til 'precision/prosjektnavn_temp_1/prosjektnavn.vhd' (i vårt tilfelle 'alu/add_sub_alu_temp_1/add_sub_alu.vhd').

Vi trenger simuleringsbibliotek for den valgte kretsfamilien for å kunne simulere etter "Place and Route". Disse bibliotekene kan genereres fra Quartus med menyen Tools > Launch EDA Simulation Simulation Library Compiler.

Vi har kompilert disse bibliotekene til mappen /prog/altera/vhdl_libs. Du kan "mappe" disse for eksempel slik:

vmap cyclonev /eda/altera/17.0/quartus/eda/sim_lib

Deretter legger vi til ei ny vhdl fil der vi skal lage testbenken vår. Vi legger til ein komponent av den opprinnelige og den synthesiserte vhdl koden. Vi koblar alle inngangane til samme signal på testbenken, og gir ut 2 forskjellige utsignal for å samanlikne ved hjelp av assert(sjå fila alu_tb.vhdl). På grunn av at utsignala av dei to komponentane ikkje skifta heilt synkront, testa vi berre kvart nanosekund ved å putta assert inn i ein process med wait for 1ns:

test : process
begin
wait for 1 ns;
assert (data_out = data_out_synt)
report "Data ut er ulik"
severity Error;
end process test;

Når vi har laga testbenken, kompilerer vi filene (husk å kompilere i rett rekkefølge med compileorder->autogenerate første gong).

Siden precision generer samme navn på entityen og architecturen på den syntetiserte filen som i den orginale så vil ikke simulatoren kjøre de samtidig. Dette endres ved å endre entity fra add_sub_alu til add_sub_alu_synth og skifte navnet på architecture fra algoritm til structure øverst og nederst i den syntetiserte filen.

Simulering med timing

Eksemple på start av simulering med timing:

vsim -t ps alu_tb -sdfmax :alu_tb:ali=/heim/yngve/vhdl/syntese/alu_temp_1/simulation/modelsim/add_sub_alu_vhd.sdo

Vi kan sjå at i dei første 50 nanosekunda er utsignala ulike. Dette er fordi før første klokkeflanke er verdiane udefinert i den opprinnelige komponenten, medan den synthesisere ikkje kan ha udefinerte verdiar. I Modelsim vil vi derfor få ein del feilmeldingar dei første 50 nanosekunda.

Konklusjon

Vi kan teste om den synthesisere komponenten oppfører seg likt med den opprinnelige komponenten ved å koble begge to til samme testbenk. Vi fekk problem i overgangane når vi testa kontinuerlig, så vi løyste problemet ved å berre teste kvart naonosekund. Bortsett frå dei første 50 nanosekunda(sjå grunn over) kan vi sjå at begge komponetane gir ut samme utsignal. Vi prøvde å bruke samme enitynavn på begge komponentane med ulik arcitechture, men fekk berre lov å kompilere og ikkje simulere. Vi kan derfor konkludere med at desse må ha ulike navn.

Kode

Kode til add_sub_alu.vhd

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.All;
USE ieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITY add_sub_alu IS
PORT (
  clk         : IN  std_logic;
  rst         : IN  std_logic;
  enable_in   : IN  std_logic;
  start       : IN  std_logic;
  enable      : IN  std_logic;
  do_add      : IN  std_logic;
  do_subtract : IN  std_logic;
  do_hold     : IN  std_logic;
  data_in     : IN  std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
  data_out    : OUT std_logic_vector(3 DOWNTO 0) BUS);
END add_sub_alu;

ARCHITECTURE algorithm OF add_sub_alu IS
  TYPE   states          IS (hold, reset, add, subtract);
  SIGNAL state_var       : states;
  SIGNAL reg, int_reg    : std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
  SIGNAL latched_data_in : std_logic_vector(3 DOWNTO 0);
BEGIN

latch: PROCESS (enable_in, data_in)is
BEGIN
  IF (enable_in = '1') THEN
    latched_data_in <= data_in;
  END IF;
END PROCESS latch;

fsm: PROCESS (clk, rst) is
BEGIN
  IF (rst = '0') THEN
    state_var <= reset;
  ELSIF rising_edge(clk) THEN
    CASE state_var IS
      WHEN hold =>
        IF (start = '1') THEN
          state_var <= reset;
        END IF;
      WHEN reset    =>
        IF (do_add = '1') THEN
          state_var <= add;
        ELSIF (do_subtract = '1') THEN
          state_var <= subtract;
        END IF;
      WHEN add      =>
        IF (do_hold = '1') THEN
          state_var <= hold;
        ELSIF (do_subtract = '1') THEN
          state_var <= subtract;
        END IF;
      WHEN subtract =>
        IF (do_hold = '1') THEN
          state_var <= hold;
        ELSIF (do_add = '1') THEN
          state_var <= add;
        END IF;
      WHEN OTHERS => state_var <= reset;
    END CASE;
  END IF;
END PROCESS fsm;

alu: PROCESS (state_var, latched_data_in, reg)is
BEGIN
CASE state_var IS
  WHEN add      => int_reg <= reg + latched_data_in;
  WHEN subtract => int_reg <= reg - latched_data_in;
  WHEN reset    => int_reg <= (others => '0');
  WHEN hold     => int_reg <= reg;
  WHEN OTHERS   => int_reg <= reg;
END CASE;
END PROCESS alu;

mem: PROCESS (clk) is
BEGIN
  IF rising_edge(clk) THEN
    reg <= int_reg;
  END IF;
END PROCESS mem;

tri: PROCESS (enable, reg) is
BEGIN
  FOR i IN 3 DOWNTO 0 LOOP
    IF (enable = '1') THEN
      data_out(i) <= reg(i);
    ELSE
      data_out(i) <= 'Z';
    END IF;
  END LOOP;
END PROCESS tri;

END algorithm;

Koden til alu_tb.vhdl

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
library work;
use work.all;

entity alu_tb is
end entity alu_tb;

architecture struct of alu_tb is
--Deklaring av signal som skal koblast til komponentane.
--Alle innsignal er felles, medan vi har 2 forskjellige utsignal.
signal clk, reset : std_logic;
signal enable_in : std_logic;
signal start : std_logic;
signal enable : std_logic;
signal do_add : std_logic;
signal do_subtract : std_logic;
signal do_hold : std_logic;
signal data_in : std_logic_vector(3 downto 0);
signal data_out : std_logic_vector(3 downto 0);
signal data_out_synt : std_logic_vector(3 downto 0);

begin

--Deklarer komponenten alu.
alu : entity add_sub_alu(algorithm)

--Kobler signala til den opprinnelige komponenten.
port map (
clk => clk,
rst => reset,
enable_in => enable_in,
start => start,
enable => enable,
do_add => do_add,
do_subtract => do_subtract,
do_hold => do_hold,
data_in => data_in,
data_out => data_out);

--Deklarer komponenten alu_synt.
alu_synt : entity add_sub_alu_synth(structure)

--Kobler signala til den synthiserte komponenten.
port map (
clk => clk,
rst => reset,
enable_in => enable_in,
start => start,
enable => enable,
do_add => do_add,
do_subtract => do_subtract,
do_hold => do_hold,
data_in => data_in,
data_out => data_out_synt);

--Klokkegenerator
clock_gen : process
begin
clk <= '0', '1' after 50 ns;
wait for 100 ns;
end process clock_gen;

--Setter testvektorane.
reset <= '0', '1' after 60 ns;
enable <= '1', '0' after 900 ns;
enable_in <= '1', '0' after 400 ns;
start <= '1', '0' after 300 ns;
do_add <= '1', '0' after 660 ns;
do_subtract <= '0';
do_hold <= '0';
data_in <= X"3";

--Test process for å samanlikne utsignala kvart nanosekund.
test : process
begin
wait for 1 ns;
assert (data_out = data_out_synt)
report "Data ut er ulik"
severity Error;
end process test;

end;