VHDL中Loop动态条件的可综合转化_EDAPLD论文
关键词：vhdl loop动态条件 综合子集 直接代入法 边界扩充法 计数器法
引言
vhdl是一种硬件描述语言，于1983年被ieee制定为国际标准ieee1076。近年来国内引进和出版了不少教材，使其在国内得到迅速推广。由于vhdl最初目的是为了实现硬件的建模而被提出的，所以其措施能力超越了数字逻辑集成电路的范围。而现有的eda工具基本上只能支持vhdl的子集，特别是针对fpga/cpld器件进行的不同的综合工具，其综合子集并非统一，不少初学者很难掌握。即使是部分有经验的设计者，对于通常高级语言中都会涉及的循环语句，在vhdl中往往也不能运用自如，甚至无法表达此类逻辑，从而限制了vhdl的应用水平。例如，vhdl的并行堆排序描述就是一个比较典型的例子。该实例十分类似通常数据结构的描述，推广前景诱人；但只能通过仿真，却不能在目前任何一个eda工具进行综合，导致无实用价值。
本文从高级语言涉及最多的loop语句出发，讨论如何在vhdl中解决这类问题。
1 无法综合的loop动态条件
vhdl中loop表达式有三种体现形式：while……loop、for……loop和单独的loop语句。它还支持next、exit和标号，因此，循环语句的表达能力大于常规的c或pascal语言。程序1是利用for语句和while语句描述插入算法的部分代码。
程序1 不可综合的vhdl循环语句
……
for i in 2 to length loop ---length为一个变量
temp:=mylist(i)；
j：=i；
while(j>1)and mylist(j-1)<temp loop
mylist(j):=mylist(j-1);
j:=j-1;
end loop;
mylist(j):=temp；
end loop;
……
对于第一个for语句，eda工具synplify综合时将会给出无边界的范围错误提示。
@e："h：.vhd"|for loops with unbound ranges should contain w wait statement
即使部分优秀的综合工具，例如orcad express、mentor grpahs quickhdl等能够综合第一个for语句，也无法支持第二个while条例表达式。orcad express将给出表达式不可静态计算的错误提示。
..vhd(45):error,expression does not evaluate to a constant.
由于程序1在c程序员看来是没有问题的，因此，初学者往往不能解决好此类问题，从而使学习陷入困境，无法充分利用vhdl来表述逻辑。
2 直接代换法
对于第一类无边界的范围错误问题，可以用循环的综合机制转化为相应的语句。例如下面代码：
for i in 0 to 1 loop
out_bus(i)<=in_bus(i)；
end loop；
其对应综合后的电路见图1。
相应的，也可以用下列语句直接代入代换：
out_bus(0)<=in_bus(0);
out_bus(1)<=in_bus(1)；
程序1可以采用下列vhdl代码表示：
k:=2；
temp:=mylist(2);
if(mylist(1)<temp then
mylist(2):=mylist(1);
j:=1;
end if;
mylist(j):=temp;
j:=3;
temp:=mylist(3);
if(mylist(2)<temp then
mylist(3):=mylist(2);
j:=2;
end if;
if(mylist(1)<temp then
mylist(2):=mylist(1);
j:=1;
end if;
mylist(j):=temp;
……
然而，这种使用方法要求设计者清楚循环条件一定会执行的次数，否则将无法实施。当循环次数比较大时，代码编写工作量将十分庞大，因此可以采用第二种方法——边界扩充法。
3 边界扩充法
边界扩充法是指在边界未定时，可以将边界定为最大可能的范围，即用静态表达来替代。例如程序1的代码可以改写为：
constant max:integer=100; --max必须大于mylen所有可能的取值
……
out_loop:for i in 2 to max loop
exit out_loop when i>mylen; --mylen为变量
temp:=mylist(i);
countj:=i;
inter_loop:for j in i downto 2 loop
countj:=j;
exit inter_loop when mylist(j-1)<temp; --退出循环
mylist(j):=mylist(j-1);
end loop;
mylist(countj):=temp;
end loop;
尽管这种方法可以处理未知边界和未定表达式的情况，但十分消耗空间，特别是当mylen相对max比较小的时候，代价非常大。此时，可以利用时间换空间的方法进行转换。
图1 for语句的综合示例
4 计数器法
计数器法是指引入时钟和计数器，用计数器对边界条件进行控制，也可以将动态表达式直接代入转化相应的静态表达式。例如，上述代码的for条件可以用下列代码替换：
if(reset='1')then
i:=2;
elsif clk='1'and clk'event then
temp:=mylist(i);
j:=2;
while(j>1)and mylist(j-1)<temp loop
mylist(j):=mylist(j-1);
j:=j-1;
end loop;
mylist(j):=temp;
i:=(i+1);
if(i=mylen+1)then i:=2;end if;
end if;
相比原来的代码，引入了1个时钟和1个复位。但综合开销最大的循环语句却被取代了，因此，综合产生门的数目将大幅度下降，但处理时间将相应延长到原来循环条件范围。
本刊网络补充版（//www.dpj.com.cn）中发表了四个源代码，分别为不可综合例子、直接代换法、边界扩充法和计算器法，内部都有相应注释。其中计数器法改进为双计数器方法。
结语
以上三种方法各有优缺点，不可一概而论，可以根据实际情况处理。直接代换法一般用于循环次数少的情况；边界扩充法一般用于循环次数接近最大边界时；计数器方法一般用于芯片内部时钟相对信号时钟快许多的情况。