Tipos de Dados Básicos em VHDL

Posted on Sáb 15 Setembro 2018 in vhdl • Last Modified Seg 03 Maio 2021 • 9 min read

Um tipo de dado é uma classificação do conjunto possível de valores que determinado item pode assumir. VHDL é uma linguagem fortemente tipada, o que significa que a escolha do tipo de dado para um sinal, variável ou constante é de suma importância pois, para converter de um tipo ao outro, devemos utilizar funções de conversão. Uma vantagem de se utilizar uma linguagem fortemente tipada é que o sintetizador pode perceber a maioria dos erros cometidos pelos projetistas. Exemplos (todos erros que podem ser capturados em VHDL, mas difícil de detectar em outras linguagens): atribuir um grupo de sinais de 4 bits para um grupo de 8 bits; atribuir um grupo de bits sem representação numérica para um grupo de bits representando um inteiro.

É importante salientar que, apesar de usar um estilo programático, a linguagem VHDL é uma linguagem de descrição de hardware, portanto no final da síntese todos os tipos assumem valores altos ou baixos. Os conceitos de tipos das linguagens de programação não existem em nenhuma HDL e esse é um dos erros mais comuns dos projetistas de hardware. Lembre-se: você não está descrevendo um programa e sim um hardware.

O tipo de dado implicitamente influencia na síntese do seu circuito. Neste artigo veremos os tipos de dados mais comuns em VHDL e como utilizá-los.

Tipos pré-definidos

Os tipos de VHDL são definidos pelos padrões IEEE 1076 e IEEE 1164. São divididos em escalares, vetores, enumerados e compostos. Todos os tipos pré-definidos estão na biblioteca std.standard, que é incluída implicitamente em todos os projetos de VHDL (não é necessário incluí-la).

Tipo Categoria Sintetizável? Valores
bit enumerado Sim 0 ou 1
boolean enumerado Sim FALSE ou TRUE
real escalar Não -1.0E38 a +1.0E38
character enumerado Não ASCII

O tipo bit é o mais utilizado. O boolean é útil para tomadas de decisão, como por exemplo em condições para um if-else. É importante notar que há um mapeamento direto entre FALSE e 0, e entre TRUE e 1, portanto FALSE<TRUE. O real normalmente é tratado como um número de ponto flutuante de precisão dupla. O character representa um grupo de 8 bits correspondentes aos 256 caracteres da tabela ASCII. Note que estes dois últimos não são sintetizáveis, portanto não devem ser utilizados como entradas ou saídas dos módulos. Apesar de não serem sintetizáveis, estes tipos são úteis durante as simulações.

O tipo integer também é bastante utilizado e possui dois subtipos padrões:

Tipo Categoria Sintetizável? Valores
integer escalar Sim -2147483647 a 2147483647
natural escalar Sim 0 a 2147483647
positive escalar Sim 1 a 2147483647

A especificação da linguagem demanda que no mínimo os números da tabela sejam aceitos, mas não limita o número de bits do inteiro. Grande parte das ferramentas implementam o inteiro como um mapeamento direto para o inteiro de 32 bits, presente na maioria das plataformas. A forma de interpretação também não é definida, mas a maioria das ferramentas interpreta como uma representação em complemento de dois. Os tipos natural e positive são apenas limitações nos valores que um objeto deste tipo poderá assumir. É possível declarar inteiros com uma limitação personalizada:

1
signal meusinal : integer range -8 to 7;

O trecho acima declara o meusinal como um inteiro de 4 bits. Contudo, valores maiores que a implementação da ferramenta de síntese não são possíveis, portanto se você precisar de um inteiro maior que 32 bits, verifique se sua ferramenta suporta inteiros grandes ou utilize vetores. A utilização da limitação do inteiro (com range ou usando os subtipos natural e positive) ajuda na detecção de erros pois, se em algum momento da simulação for feita a tentativa de atribuir um valor fora da faixa permitida, o simulador irá emitir uma mensagem de erro. Além disso, usar a limitação explícita diminui o número de bits utilizados para a representação, o que economizará portas lógicas no seu circuito. Pense assim: por que você precisa de um somador de 32 bits se seus inteiros só vão assumir valores de -16 a 15?

Os tipos bit e character também possuem suas versões em vetores:

Tipo Categoria Sintetizável? Valores
bit_vector vetor Sim bits
string vetor Não caracteres

O bit_vector é muito utilizado para representar um grupo de bits. Já o tipo string é usado somente para mensagens durante a simulação (note que ele não é sintetizável).

Há ainda dois tipos que não são sintetizáveis mas são importantes em VHDL:

Tipo Categoria Sintetizável? Valores
severity_level enumerado Não note, warning, error ou failure
time enumerado Não depende

O tipo severity_level é usado em testbenchs para informar a gravidade do problema encontrado. O tipo time é usado para descrever a temporização do circuito, tanto em descrições temporizadas quanto em testbenchs. Os valores de tempo são acompanhados dos multiplicadores que indicam a escala de tempo: fs (fentosegundos), ps (picosegungos), ns (nanosegundos), us (microsegundos), ms (milisegundos), sec (segundos), min (minutos) e hr (horas).

No exemplo abaixo, a mensagem "Teste" será impressa na tela sem parar a simulação e o sinal assumirá o valor entrada, mas somente após 10ns.

1
2
report "Teste" severity note;
sinal <= entrada after 10 ns;

Pacote IEEE 1164

Um dos pacotes mais utilizados em VHDL é o std_logic_1164 da biblioteca ieee, que define um MVL (lógica multivariada, ou o nome completo Multivalue Logic System for VHDL Model Interoperability). Pra usar este pacote, é necessário incluir a declaração de uso no preambulo do seu projeto:

1
2
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

O tipo de dado primário definido nesta biblioteca é o std_ulogic (standard unresolved logic), que pode assumir outros valores usados em projeto digital além dos valores ideais 0 e 1. Esta modelagem de valores é mais próxima do mundo real, mas deve ser utilizada com cuidado.

Valor Significado
U Não inicializado (uninitialized)
X Desconhecido (forte)
0 Zero (forte)
1 Um (forte)
Z Alta impedância (tri-state)
W Desconhecido (fraco)
L Zero (fraco)
H Um (fraco)
- Qualquer um (don't care)

O valor U não foi pensado para ser utilizado pelo projetista mas sim pelas ferramentas de simulação. Quando seu circuito é simulado, um sinal em U significa que até aquele momento não houve nenhuma atribuição para aquele sinal. Isso é útil para depuração pois permite diferenciar um sinal que nunca foi atribuído de um que foi atribuído com zero, por exemplo. É especialmente útil para detectar o esquecimento do acionamento do reset de um circuito, pois é comum os projetistas negligenciarem o reset antes de começar a simular.

Já o X e o W indicam valores que estão fora do escopo naquele ponto do projeto. Atribuir o valor X para um sinal não é uma boa prática, mas ele também é útil em uma simulação. Quando aparecer um sinal com valor X ou W na sua simulação, muito provavelmente houve mais de uma atribuição para o mesmo sinal e elas são divergentes (e.g. uma atribuição 0 e uma 1 em pontos diferentes da sua descrição). Se sua simulação tem um destes valores, corrija o seu circuito antes de sintetizá-lo pois este valor não existe no mundo real: o circuito vai efetivamente assumir 1 ou 0, fechando um curto-circuito caso haja uma atribuição divergente.

Note também que o X não representa o don't care mas sim um valor desconhecido. Como a letra X é utilizada para o don't care nos métodos manuais (e.g. mapa de Karnaugh), é comum a confusão entre os dois valores.

A diferença entre um valor forte e fraco é apenas que os fracos indicam a utilização de resistores de pull-up ou pull-down, portanto se uma saída H for ligada a uma saída 0, o sinal será 0 e não há problemas além do consumo de energia extra ocasionado pelo resistor. Contudo, se uma saída forte 1 for ligada a uma saída 0, o resultado é um curto-circuito e possível dano ao circuito. Você pode livremente atribuir H, 1, L ou 0 para um sinal, e ambos serão sintetizados similarmente, mas as versões H e L instruem o sintetizador a usar portas com tecnologia de dreno aberto (open-drain) ou similar, permitindo a utilização de resistores de pull-up ou pull-down.

Se a plataforma alvo não suportar buffers tri-state o valor Z não será sintetizado, mas as ferramentas normalmente conseguem inferir um decisor baseado em multiplexador para substituir a escolha de qual saída será colocada no sinal. Note que a plataforma alvo pode não ter tri-state, então tome cuidado ao interligá-la com circuitos externos que esperam que ela tenha.

Outro tipo desta biblioteca é o std_logic. Ele é idêntico ao std_ulogic e pode assumir qualquer valor dos citados acima, mas tem uma diferença aos olhos do sintetizador: ele pode ser resolvido. O std_ulogic não especifica o que acontece quando você faz duas atribuições para o mesmo sinal (não importa se diferente ou iguais). Se o sinal for std_logic, o sintetizador entende que você sabe o que está fazendo e não te indicará nada ou no máximo mostrará uma mensagem de alerta, enquanto se o sinal for do tipo std_ulogic, o sintetizador irá se recusar a continuar a síntese, alertando-o que há mais de uma atribuição para aquele sinal.

Ambos os tipos desta biblioteca suportam a versão em vetor:

Tipo Categoria Sintetizável? Valores
std_ulogic enumerado Sim multivariado
std_logic enumerado Sim multivariado
std_ulogic_vector vetor Sim std_ulogics
std_logic_vector vetor Sim std_logics

Os valores multivariados são qualquer um da tabela no início desta seção. A síntese é possível para estes tipos, mas esteja atento para as observações nesta seção quando eles forem diferentes de 0 ou 1.

Qual tipo utilizar?

Não existe uma regra de que tipo utilizar, mas há várias dicas de como utilizar melhor a infraestrutura de tipos em VHDL.

A primeira dica é usar o bom senso. Se você está projetando uma unidade aritmética (e.g. multiplicador), faz pleno sentido que as entradas e saídas sejam unsigned ou signed de acordo com a maneira como a unidade aritmética as interpreta (e.g. o multiplicador é de inteiros sem ou com sinal). Contudo, se você está projetando um multiplexador, não faz sentido usar um tipo de dados com interpretação embutida pois o multiplexador não opera sobre os dados. Nesse caso, utilize o tipo bit ou std_logic.

std_logic ou bit

Este é um tema de debate entre os projetistas há anos. A maioria dos projetistas opta por utilizar o std_logic e evitar aborrecimentos, mas esta não é uma boa prática. Para escolher corretamente, você precisa pensar no circuito que está desenvolvendo e na arquitetura alvo.

O FPGA, por exemplo, não suporta internamente nenhum dos tipos do std_logic, portanto não faz sentido utilizá-lo pois internamente só haverá bits. Se sua arquitetura alvo é um FPGA, como por exemplo nas disciplinas de laboratório, use sempre o tipo bit. As excessões onde a utilização do std_logic é correta são: (i) quando você estiver projetando um barramento, (ii) quando estiver lidando com a saída, e (iii) em simulações.

No caso (i) a utilização do tri-state pode ser útil pois você poderá interligar saídas sem problemas, desde que somente uma delas esteja ativa e as demais estejam em tri-state. Contudo, se o seu barramento for interno ao FPGA, ele será sintetizado usando multiplexadores e não tri-state real pois o FPGA não tem esta funcionalidade internamente. Lembre-se que o tri-state do std_logic é representado por Z.

Já no caso (ii) você pode utilizar o std_logic livremente pois a maioria dos FPGAs implementa open-drain e tri-state nos buffers de saída. Você pode facilmente usar tri-state e valores de weak (que implementam pull-up e pull-down), mas lembre-se que nem todos os valores do std_logic são sintetizáveis.

No último caso (iii), o valor U (uninitialized) pode ser útil para saber se um determinado valor foi ou não escrito alguma vez durante a simulação pois é o valor padrão do std_logic. Na simulação todos os valores do std_logic são expressos corretamente, mas lembre-se que na síntese os valores sempre vão assumir 0 ou 1 mesmo que nunca tenham tido um valor atribuído.

Uma das falácias do tipo std_logic é o don't care. Ele é representado pelo - e não pelo X (unknown) normalmente usado nos métodos manuais (e.g mapa de Karnaugh). Se usado corretamente, a maioria das ferramentas interpreta o - como o don't care esperado, inclusive na atribuição condicional. Algumas ferramentas tratam ambos os X e o - como don't care para evitar a confusão, mas ela ainda acontece especialmente entre projetistas iniciantes, portanto evite-o.

De fato, a maioria dos projetos não necessita do std_logic e acabam por utilizá-lo apenas com os valores 0 ou 1, como substituição ao tipo bit. Como regra geral, utilize o tipo de dado certo para o trabalho que está fazendo e, enquanto você estiver aprendendo, utilize somente o tipo bit para evitar problemas. Quando estiver confortável, transicione para o tipo std_ulogic quando precisar de sinais multivariados e só quando realmente precisar de um sinal de multivariado com múltiplas atribuições (e.g. barramento) use o std_logic.

Contribuições

  • 19/set/2020: Gabriel Youssef Campos fez algumas correções sintáticas.
  • 22/nov/2020: Lucas Ventura Monegatto alterou os limites do inteiro.