① 자료형의 종류
자료형의 종류로는 크게 기능과 표현상의 분류로 구분되다. 간단히 요약하면 다음과 같다.
ⅰ) 표현적 분류
◈ Predefinde Data Type (이미 정의된 VHDL)
◈ User-Definde Type (사용자 정의)
ⅱ) 기능적 분류
◈ Scalar Type(숫자형)
숫자형이라는 것은 0, 1, 2, 3 … 등의 숫자로 그 순서를 정의할 수 있는 자료형이 다. 이러한 숫자형은 또다시 세부적으로 나뉜다.
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열거형 (Enumeration Type) |
BIT, BOOLEAN, HARACTER, STD_LOGIC |
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정수형 (Integer Type) |
INTEGER |
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실수형 (Floating Type) |
REAL |
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물리형 (Physical Type) |
UNIT : TIME, DISTANCE |
◈ Composite Type(복합형)
혼합형은 이러한 숫자형을 재 조합하여 필요한 만큼만 사용할 수 있도록 선언할 경 우와 여러 가지를 혼합하여 사용하고 싶을 때 사용한다. 혼합형은 배열형과 집합형 으로 나뉜다.
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배열형
(Array Type) |
제한형 (Constraint Type) |
TO, DOWNTO |
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무제한형
(Unconstraint Type) |
BIT_VECTOR, STRING,
STD_LOGIC_VECTOR |
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집합형 (Record Type) |
RECORD |
◈ Access Type(연결형)
연결형은 일반 Computer 언어에서의 Linked List를 사용할 수 있도록 만들어진 Point 형식과 유사하다. 연결형을 사용할 때 정확한 표현이 아니면 전혀 다른 결과 를 출력하기 때문에 언어를 시작하는 초보자라면 되도록 사용을 피하는 것이 좋다. 또한 연결형은 시뮬레이션을 위한 용도 외에 하드웨어적으로 구현하는 것으로는 아 직까지 그 지원이 미흡하다.
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연결형 (Access Type) |
ACCESS, NEW |
◈ File Type
File Type은 File 입출력에 관련된 Data Type으로써 외부와의 입출력이나 특정 File의 변수를 선택하여 사용한다. 또한 이 자료형은 VHDL의 회로 표현에 대한 검 증 단계, 즉 Simulation Debugging에서 많이 사용되며 특별한 회로동작의 입출력 을 제외하면 거의 사용하지 않는다. 그래서 Synthetic Code가 아니란 것을 유의하 자. 파일형은 연결형과 같이 초보자에게는 어려운 점이 있으니 유의하기 바란다.
② 선언 방법
자료형을 선언할 때는 Type ~ is라는 예약어를 사용한다. 여기서는 Std_logic_1164 Package에 선언된 내용을 예로 들었다.
ⅰ) 열거형 :: 문자열을 하나의 Data로 묶어서 선언하는 것이다.
예) Type bit is ('0', '1');
Type boolean is (true, false);
ⅱ) 정수형 :: 정수형의 범위는 아래와 같이 구격화되어 있다.
예) Type integer is range -2147483647 to 2147483647;
Type byte is range -127 to 127;
ⅲ) 실수형 :: 실수형의 범위 역시 아래와 같이 -1.0E38에서 1.0E38까지 규격화되어 있다. 실수형의 최대값과 최소값은 High와 Low라는 Attribute를 사용해서 나타낼 수도 있 다.
예) Type real is range -1.0E38 to +1.0E38;
ⅳ) 물리형 :: 물리형은 시간, 거리 전류 등의 물리적인 단위를 나타낸다. 사용자가 범위를 정의하지 않으면 기본 단위의 고정 범위는 정수형의 범위과 같은 -2147483647에서 2147483647까지 이다.
예) Type time is range -1.0E38 to +1.0E38;
unit ps;
ns = 1000ps;
us = 1000ns;
ms = 1000us;
sec = 1000ms;
min = 60sec;
end unit;
ⅴ) 집합형 :: 집합형은 다른 종류의 숫자형이나 배열형을 하나로 만들어 사용할 수 있는 것이다. 각각의 Field로 나뉘어져서 별개의 Data Type을 선언할 수 있다. Record Type 으로 선언된 객체의 요소 값을 참조하기 위해서 객체와 요소사이에 '.'을 사용한다.
예) Type information is
record value : bit;
context : integer;
end record;
variable kk : information;
kk.value := '1';
kk.context := 9;
ⅵ) 배열형 :: 같은 종류의 숫자형을 한군데 묶어서 사용할 수 있다. 선언 방법에 따라 두 가지로 나뉜다.
◈ 제한형 :: 이미 선언된 Type을 정해진 범위에서 열거하게 만든 것으로 일종의 BUS Type으로 만든 것이다. 여기서 to와 downto는 내림차순과 오름차순으로 정의하는 것이 다.
예) Type byte is array( 7 downto 0 ) of bit;
variable a : byte;
a := "01110000";
◈ 무제한형 :: 제한형과는 다르게 선언된 Type을 또 하나의 변형된 새로운 Type으로 다시 만드는 열거형이다.
예) Type bit_vector( natural range <> ) of bit;
Type string is array ( positive range <> ) of character;
ⅶ) 연결형 :: 연결형은 동작적 모델링이나 하드웨어/소프트웨어 혼합형을 모델링 할 때 동적 메모리 할당(Dynamic Memory Allocation)을 필요로 하는 경우에 유용하고, 자료구 조(Data Structure)의 크기를 미리 결정할 수 없는 경우에 사용한다. 예를 들어 큐(Que)나 스택(Stack) 구조에서 연결 리스트(Linked List)를 만들기 위해 사용한다. 연결형에는 3가 지로 구분할 수 있으나 2가지의 형식만 알고 넘어가자.
◈ 불완전 선언 :: Type 선언시 아무런 표현도 하지 않고 선언자만을 표시
예) Type CELL;
◈ 일반 선언 :: Type 선언시 아무런 표현도 하지 않고 선언자만을 표시
예) Type LINK is access CELL;
ⅷ) 파일형 :: 파일형은 VHDL 규격 패키지의 TEXTIO 부분에 선언되어 있기 때문에 활 용만 하면 된다. 이것 또한 형식만 알고 넘어가자.
예) Type TEXT is file of STRING;
file INPUT : TEXT is in "std_input";
file OUTPUT : TEXT is out "std_output";
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우선순위
높다
↓
↓
↓
낮다
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논리 연산자
(Local Operator) |
or, and, nor, nand,
xor,xnor |
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관계연산자
(Relational Operator) |
=, /=, >, <, >=, <= |
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덧셈연산자
(Adding Operator) |
+, -, &
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단항연산자
(Unary Operator) |
+, - |
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곱셈(Multiplying) |
*, /, mod, rem |
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기타 연산자 |
**, abs, not |
3. 연산자(Operator)는 아래 표에 간단히 요약했다. 연산자를 연속으로 사용할 경우 우선 순위에 따라 연산 순서가 결정된다. 괄호 안의 연산자는 우선한다. 특히 논리 연산자는 두 피연산자의 자료형이 같아야 하며 연산자의 우선 순위가 가장 낮으나 not는 논리 연 산자이지만 다른 연산자보다 우선 순위가 높다. and나 or 연산자는 결합법칙이 성립되나, 여러 논리연산자를 함께 사용할 경우나 nand 혹은 nor을 연속해서 사용할 경우 결합법 칙이 성립되지 않으므로 괄호를 사용하고 결합순서에 주의해야 한다.
동작적 표현(Behavioral Description)과 구조적 표현(Structural Desciption)
VHDL의 표현 방법은 설계의 의도와 용도에 따라 방법을 선택하거나 혼합해서 사용할 수 있다.
1. 동작적 표현은 자료흐름적 표현과 Process문에 의한 표현으로 나뉘어 진다.
① 자료흐름적 표현(Data Flow Description)
부울 대수식, RTL 혹은 연산자를 사용하여 입력과 출력사이의 관계를 나타내는 것을 말한다. 자료흐름적 표현은 주로 병행 처리문에서 사용되며, 문장의 순서에 무관하게 동 시에 수행된다.
예) architecture data_flow of compare_logic is
begin
equal <= not( a(1) xor b(1) ) and not( a(0) xor b(0) );
end data_flow;
② Process문에 의한 표현
자료흐름적 표현 방법보다 추상화된 개념이다. 회로의 기능적 표현을 기능적 혹은 알고 리즘적으로 기술하는 것이다. Process문은 하드웨어 시스템을 모듈별로 기술하는데 편리 하다. 시스템은 하드웨어 모듈로 구성되어 있고, 각 모듈은 병행처리를 하면서 서로간의 통신을 통해 관계를 유지한다. Architecture내에 여러 개의 Process문이 있을 수 있으며 각 Process문은 병행처리를 하지만, Process문 내부는 순차처리를 한다. 또한 Process문 은 감지신호의 변화를 통해 동작하며 이를 통해 서로 통신을 한다.
예) architecture sample of compare_logic is
begin
process(a, b) -- ( )안의 a, b를 감지신호라 한다.
begin
if a = b then
equal <= '1';
else
equal <= '0';
end if;
end process;
end sample;
2. 구조적 표현은 동작적 표현보다 하드웨어 구조에 가장 가까운 표현이라 할 수 있다. 하 드웨어 회로상에서 IC소자들을 서로 선으로 연결하여 시스템을 구성하듯이 이미 설계 된 Component를 이용하여, 그 Component들을 서로 연결하여 System을 기술하려는 방 식이다. 구조적 표현에는 Generate문과 Generic문이 있다.
① Component문
이미 설계한 Entity를 부품으로 간주하여 구조적으로 설계하는 문이다. 이를 사용하기 위해서는 Component를 선언해야 한다. 또한 Port map()이란 예약어를 사용하여 Component를 사례화 시켜야 한다.
예) entity nand_component is
port( in1, in2, in3, in4 : in std_logic;
out1, out2 : out std_logic );
end nand_component;
architecture sample of compare_logic is
component nand2 -- component nand2를 선언
port( a, b : in std_logic;
y : out std_logic );
end component;
begin
u1 : nand2 port map( in1, in2, out1);
-- nand2를 사례화, 위치결합 방식
u2 : nand2 port map( a=>in3, b=>in4, y=>out2 );
-- 이름결합 방식
end sample;
예의 port map에서 위치결합과 이름결합 방식이 있다. 위치결합은 component와 결합할 때, port signal이 나열된 위치순서대로 연결되며, 이름결합은 port signal이 나열된 위치와 상관없이 각각의 '형식이름' => '실제이름'으로 연결된다. 이름결합은 직접 이름으로 연 결되기 때문에 결합의 순서에 무관하다. 또한 component를 사용하기 위해서는 사용할 c omponent가 작업 디렉토리에 등록이 되어 있어야 한다.
② Generate문
Generate 문은 Component를 반복적으로 사용하기 위해서 사용한다. Generate문은 단순 반 복생성을 위한 for-generate문과 주어진 조건에 따라 반복처리하는 if-generate문이 있다. 예를 들기 위해 긴 entity 이름을 사용했다. 사용자는 굳이 그럴 필요는 없다.
◈ for-generate문
예) entity nand_component_for_generate is
port ( a, b : in std_logic_vector( 3 downto 0 );
y : out std_logic_vector( 3 downto 0 ) );
end nand_component_generate;
architecture sample of nand_component_generate is
component nand2
port ( a, b : in std_logic;
y : out std_logic );
end component;
begin
g1 : for i in 3 downto 0 generate
ux : nand2 port map ( a(i), b(i), y(i) );
end generate g1;
end sample;
◈ if-generate문
예) entity xor_component_if_generate is
port ( a : in std_logic_vector( 4 downto 0 );
prity_check : out std_logic );
end nand_component_generate;
architecture sample of nand_component_generate is
signal y : std_logic_vector( 3 downto 0 );
component xor2
port ( a, b : in std_logic;
c : out std_logic );
end component;
begin
g1 : for i in 3 downto 0 generate
-- g1, g2, g3, u4, ux는 레이블이다.
g2 : if i =3 generate
u4 : xor2 port map ( a(i+1), a(i), y(i) );
end generate g2;
g3 : if i < 3 generate
ux : xor2 port map ( y(i+1), a(i), y(i) );
end generate g3;
end generate g1;
parity_check <= y(0);
end sample;
③ Generic문
Generic (일반화)이란 Entity 내에 기술하며 Generic의 매개변수를 Entity에 전달함으로써, 회로의 개수나 입출력의 크기가 매개변수에 의해 결정되게 하는 것을 말한다. Generic의 매개변수로 사용되는 객체는 상수이며, 모드는 in으로 되어 있기 때문에 반드시 명시할 필 요가 없다. 또한 이 매개변수는 사용용도에 따라 두 가지로 나뉜다. 반복생성의 개수를 위 한 매개상수와 입출력의 크기를 위한 매개상수이다.
Generic의 사용은 사용할 Component의 Entity에 먼저 선언을 하고 다음 Component를 사 용하는 Logic System에서 이를 이용한다.
◈ 반복생성의 개수를 위한 매개상수
예) --[ 사용될 Component ] --
entity nand_generic is
generic ( size : integer := 8 );
port ( x, y : in std_logic_vector( size-1 downto 0 );
z : out std_logic_vector ( size-1 downto 0 ) );
end nand_generic;
architecture sample of nand_generic is
begin
z <= x nand y;
end sample;
-- [ Generic으로 선언된 Component를 사용하는 Logic System ] --
entity nand_sys is
port( a, b : in std_logic_vector( 3 downto 0 );
c : out std_logic_vector( 3 downto 0 ) );
end nand_sys;
architecture sample of nand_sys is
component nand_generic
generic( size : integer );
port ( x,y : in std_logic_vector( size-1 downto 0 );
z : out std_logic_vector( size-1 downto 0 ) );
end component;
begin
ux : nandg generic map(4) port map( a, b, c );
end sample;
◈ 입출력의 크기를 위한 매개상수
예) --[ 사용될 Component ] --
entity nandx_generic is
generic ( size : integer );
port ( x : in std_logic_vector( size-1 downto 0 );
z : out std_logic );
end nandx_generic;
architecture sample of nandx_generic is
begin
process( x )
variable temp : std_logic;
begin
temp := x(0);
for I in 1 to size-1 loop
temp := temp and x(i);
end loop;
z <= not (temp);
end process;
end sample;
-- [ Generic으로 선언된 Component를 사용하는 Logic System ] --
entity nand_sys is
port( a : in std_logic_vector( 3 downto 0 );
b : out std_logic );
end nand_sys;
architecture sample of nand_sys is
component nandx_generic
generic ( size : integer );
port ( x : in std_logic_vector( size-1 downto 0 );
z : out std_logic );
end component;
begin
ux : nandx generic map(4) port map( a, b );
end sample;
순차 처리문과 병행 처리문
1. 순차 처리문은 Process문 내에서 기술되며 wait문, if문, case문 및 for-loop문이 있다. 그러나 각각의 Process문은 병행처리한다고 말한 바있다. 이제 순차 처리문의 종류를 알 아보자.
① Process문
Process 문은 다음과 같은 형식으로 사용한다. 레이블은 생략해도 되며, 감지신호 리스트 는 대개 Process내의 입력신호들로 구성되며, 이 감지신호의 변화가 생길 때 process문 이 수행된다. 또한 하나의 Entity내에 여러 개의 Architecture가 있을 수 있는 것처럼 Process문 또한 하나의 Architecture 내에 여러 개의 Process문을 사용할 수 있다.
[레이블 :] process [(감지신호 리스트)]
begin
순차처리문;
end process [레이블];
② If문
고급언어와 같이 조건이 참이면 수행되는 if (조건) then 형식이 있다. if문은 또한 사용방 법에 따라 다음과 같이 3가지의 동작을 할 수 있다.
◈ 일반적 if문
if문은 멀티 플랙서(Multiplexer, 이하 MUX로 표기)를 이용하여 등가적으로 표현할 수 있으며, if문의 하드웨어 구현에 대한 이해에 도움을 준다.
예) if ( sel = '1' ) then
y <= a;
else
y <= b;
end if;
◈ 다중 if문
다중 if문의 경우에도 같은 방식의 MUX 논리를 적용할 수 있다. 다중 if문은 여러 개의 조건을 갖는 경우이다.
예) if ( sel0 = '1' ) then
y <= a;
elsif ( sel1 = '1' ) then
y <= b;
else
y <= c;
end if;
◈ 기억소자가 내포된 if문
이 것은 else문이 없는 if문이다. 여기서는 if문에서는 조건이 거짓일 경우 수행되어야 하는 else문이 없으므로, else에 해당되는 출력은 과거의 출력 값을 그대로 유지하게 된다. 따라 서 출력은 조건이 거짓일 때는 과거의 출력 값을 지녀야 하므로 VHDL 합성시에 기억소자 가 내포된다. 이러한 기억소자가 내포된 if문의 예가 Latch와 Flip/Flop이다. Latch와 Flip/Flop의 차이는 if의 조건이 Level Trigger에 의해 출력이 변화되면 Latch이고, if의 조 건이 신호의 상승 혹은 하강에 의해,즉 Rising Edge나 Falling Edge Trigger에 의해 출력 이 변화되면 Flip/Flop이다. VHDL에서 이들을 표현하기 위해 event라는 예약어를 사용 한다.
예) if clk'event and clk = '1' then -- Rising Edge에서 동작하는 Flip/Flop
q <= d;
end if;
if clk'event and clk = '0' then -- Falling Edge에서 동작하는 Flip/Flop
q <= d;
end if;
if en = '1' then -- Leve Trigger에 의해 동작하는 Latch
q <= d;
end if;
③ Case문
Case 문은 수식 값에 따라 문장을 선택한다. Case문의 수식 값은 integer형, 열거형 등과 같 은 자료형이 주로 사용되며, 진리표와 같은 기능표에 대한 설계에 적합하다. Case문은 When의 값과 비교하여 일치하면 그 문장을 수행한다. When의 수식을 여러 값으로 표현 할 때는 '|'(또는)이라는 기호를 사용한다.
예) case sel is
when "00" => y <= d(0);
when "01" => y <= d(1);
when "02" => y <= d(2);
when others => y <= d(3);
end case;
④Loop문
Loop문은 반복처리 하기 위한 것이다. Loop문은 For-Loop형식과 While-Loop형식 및 단 순 Loop형식이 있다. 형식은 다음과 같다.
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◆ [ 레이블 ] : for 루프변수 in 변수범위 loop
순차 처리문; -- 변수 범위만큼 반복
end loop [ 레이블 ];
◆ [ 레이블 ] : while 조건 loop
순차 처리문; -- 조건이 참일 때까지 반복
end loop [ 레이블 ];
◆ [ 레이블 ] : loop
순차 처리문; -- 무한 반복
end loop [ 레이블 ];
|
◈ For-Loop형식
For -Loop문은 루프변수가 1씩 증가 또는 감소하면서, 최종값에 도달할 때까지 Loop문에 둘러싸인 순차 처리문을 반복처리한다. 루프변수는 어떠한 객체로도 선언되지 않아야 되며, 오직 For-Loop의 루프변수로만 사용되어야 한다.
예) entity and_logic is
port ( a, b : in std_logic_vector( 3 downto 0 );
y : out std_logic_vector( 3 downto 0 ) );
end and_logic;
architecture sample of and_logic is
begin
process( a, b )
begin
for I in 3 downto 0 loop
y(i) <= a(i) and b(i); -- 변수 i에 대해서 4번 반복
end loop;
end process;
end sample;
◈ While-Loop형식
While (조건) Loop문은 조건이 참이면 loop에 둘러싸인 순차 처리문을 반복수행한다. While-Loop문의 조건은 반복횟수가 명확히 결정되지 않으면, 논리합성을 할 수 없으므로 주의해야 한다.단순 Loop문은 무한히 반복하므로 Loop를 빠져 나오기 위해서 exit문이 필 요하며, While문의 경우와 같이 반복횟수가 정해지지 않을 경우에는 VHDL 논리합성이 될 수 없다. 대부분의 VHDL 합성기는 While-Loop문과 단순 Loop문을 지원하지 않는다.
2. 병행 처리문
하 드웨어 회로에서는 입력선로에서 출력선로로 신호가 전달되어 처리될 때 순차처리되는 것이 아니라 병행처리된다. 따라서 하드웨어 구조를 기술하는VHDL의 문장은 병행처리에 기반을 두고 있다고 볼 수 있다. Architecture문 내부에 표현되는 모든 VHDL 문장은 Process문의 내부를 제외하고는 모두가 순서에 무관하는 병행 처리문이다. 이러한 병행 처 리문에는 조건적 병행처리문(When~Else)과 선택적 병행 처리문(With~Select)이 있다.
① 조건적 병행 처리문 :: 순차처리문인 if문과 유사하다.
예) entity logic is
port ( a, b, c, d : in std_logic;
y : out std_logic );
end logic;
architecture sample of logic is
begin
y <= '0' when d='0' else
'0' when c='1' else
'0' when ( a='1' ) and ( b='1' ) else
'1';
end sample;
② 선택적 병행 처리문 :: with이하의 수식값에 의해 판단하며, Case문과 유사하다.
signal_이름 <= 파형1 when (조건1) else
파형2 when (조건2) else
파형n-1 when (조건n-1) else
파형n;
with (수식) select
signal_이름 <= 파형1 when (선택값1),
파형2 when (선택값2),
파형n-1 when (선택값n-1) else
파형n when others;
예) entity logic is
port ( x : in std_logic_vector( 1 downto 0 );
y : out std_logic_vector( 3 downto 0 ) );
end logic;
architecture sample of logic is
begin
with x select
y <= "0001" when "00",
"0010" when "01",
"0100" when "10",
"1000" when others;
end sample;
출처 : http://www.roboblock.co.kr/info/info8.htm
)
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