دا م

FPGAهاي تراشه ریزيو برنامه VHDLآموزش ISEافزار نرم به همراه آموزش

:نویسندگان دکتر ستار میرزاکوچکی

و آزاد اسالمی قزوینعضو هیأت علمی دانشگاه ( )علم و صنعت ایراندانشگاه عضو هیأت علمی

سعادتمهندس علیرضا خوش ))تکنیک تهرانپلی(دانشجوي دکتري دانشگاه صنعتی امیرکبیر (

ISE به همراه آموزش نرم افزار FPGAهاي ریزي تراشهو برنامه VHDLآموزش : عنوان سعادتدکتر ستار میرزاکوچکی، مهندس علیرضا خوش : فیتأل

ناشر یسازمان چاپ و انتشارات دانشگاه آزاد اسالم :

نیقزو یاسالم آزاد دانشگاه 1392 : سال انتشار

1392، اول : نوبت چاپ نسخه 2000 : شمارگان

تومان 23.500 : قیمت 978-964-10-2691- 4 : شابک

- 1343، ستار، میرزاکوچکی : سرشناسه

نویسندگان ستار میرزاکوچکی، علیرضا / ISEبه همراه آموزش نرم افزار FPGAهاي ریزي تراشهو برنامه VHDLآموزش : عنوان و نام پدیدآور .خوش سعادت

.1392 ، واحد قزوین، مرکز انتشارات علمی، آزاد اسالمی دانشگاه: دانشگاه آزاد اسالمی، سازمان چاپ و انتشارات: قزوین : مشخصات نشر

.مصور، جدول، نمودار: .ص434 : مشخصات ظاهري

4-2691-10-964-978 : شابک

فیپا : وضعیت فهرست نویسی

اي. اس. افزار آينرم : موضوع

)افزارزبان توصیفی سخت(ال . دي. اچ. وي : موضوع

ا. جی. پی. پذیر افهاي برنامهتراشه : موضوع

، علیرضا، خوش سعادت، : شناسه افزوده مرکز انتشارات علمی. واحد قزوین. دانشگاه آزاد اسالمی : شناسه افزوده

TK : رده بندي کنگره 7885 /7/ م 9آ 8 1392

392/621 : رده بندي دیویی

3388393 : شماره کتابشناسی ملی

*کلیه حقوق چاپ و نشر براي ناشر محفوظ است* 0281 3675787 قزوین، بلوار نخبگان، دانشگاه آزاد اسالمی قزوین: ساختمان مرکزي

0281- 3688058 :مرکز پخش یماي دانش، نشر کتاب دانشگاهی، کیان رایانه، عابد، علوم پویا، دیانتس :مراکز فروش تهران rwww.qiau.ac.i: آدرس سایت spc@qiau.ac.ir :پست الکترونیک

أ

:طالبفهرست م

VHDL 1 شنایی با آ فصل اول 2 پیشگفتار

VHDL 2اصطالحات زبان -1- 1 VHDL 3افزار در توصیف سخت - 2- 1 Entity( 4(موجودیت -1- 2- 1

Architecture( 4(معماري - 2- 2- 1 5 سیگنال همزمانِ انتسابِ -3- 2- 1 Event Scheduling( 6(رخداد بنديِ زمان -4- 2- 1 Structural( 6(اري طراحی ساخت -5- 2- 1 Sequential( 8( متوالی رفتار -6- 2- 1 8 عبارات پروسس - 7- 2- 1 9 ناحیه اعالن پروسس -8- 2- 1 9 بخش دستورات و عبارات پروسس - 9- 2- 1 9 اجراي پروسس - 10- 2- 1 9 عبارات متوالی -11- 2- 1 10 انتخاب معماري -12- 2- 1 10 (configurations)بندي عبارات پیکر -13- 2- 1 11 ها توانمندي پیکربندي -14- 2- 1

13 رفتاري سازيِ مدل فصل دوم 14 پیشگفتار

14 سازي رفتاري نایی با مدلآش -2-1 17 تاخیر انتقالی در برابر تاخیر اینرسی -2-2 Inertial delay( 17( تاخیر اینرسی - 2-2-1 Transport delay( 19( تاخیر انتقالی -2-2-2 20 مدل تاخیر اینرسی - 2-2-3 20 مدل تاخیر انتقالی -2-2-4 20 سازي ي شبیهها دلتا -2-2-5 Drivers( 24(ها انداز ه را - 2-3 24 ایجاد درایور -1- 2-3 25 مدل ناصحیح درایور چندگانه - 2- 2-3 Generics( 26(ها ژنریک -2-4

ب

28 هاي دستورالعمل بلوک - 2-5 Guarded Blocks( 32( شده هاي محافظت بلوک -1- 2-5

36 ترتیبی پردازش صل سومف 37 پیشگفتار

Process Statement( 37( عبارت پروسس -3-1 37 (Sensitivity List): لیست حساسیت - 1-1- 3 38 مثالی از یک پروسس -1-2- 3 39 متغیر هب سیگنال در مقابل انتساب به انتساب - 2- 3 3 -2 -1- نمونه نادرست MUX 40 MUX 42نمونه صحیح - 2- 2- 3 44 هاي ترتیبی دستورالعمل -3- 3 IF 44دستورالعمل - 4- 3 CASE 46دستورالعمل -5- 3 48 (LOOP)دستورالعمل حلقه -6- 3 NEXT 50دستورالعمل -6-1- 3 EXIT 51دستورالعمل - 7- 3 ASSERT 53 دستورالعمل -8- 3 3 -8-1- BNF دستورالعمل ASSERT 54 WAIT 56 دستورالعمل - 9- 3 3 -9 -1- WAIT ON Signal 59

3 -9 -2 - WAIT UNTIL Expresion59 3 -9 -3- WAIT FOR time_expression 59 WAIT 60 براي چندین شرط تعیین -4- 9- 3 WAIT 60تعیین مهلت براي -5- 9- 3

WAIT 63دستورالعمل برابرسیت در حسا لیست -6- 9- 3 63 مشکل انتساب همزمان -3-10

67 (Passive Process)پروسس پسیو -1- 10- 3

70 انواع داده فصل چهارم 71 پیشگفتار

71 انواع اشیاء - 4-1 71 سیگنال -1- 4-1 73 متغیرها -2- 4-1

75 ثوابت -3- 4-1 76 انواع داده -4-2 76 انواع اسکالر -4-2-1

ج

Composite Types( 84(انواع مرکب -4-2-2 Incomplete Types ( 95( انواعِ ناتمام -4-2-3 100 فایلنوع - 4-2-4 103 ها نکاتی در مورد فایل - 4-3 Subtypes ( 103( ها زیرنوع -4-4

107 ها ها و بسته زیربرنامه فصل پنجم 108 پیشگفتار

108 ها زیربرنامه -5-1 108 تابع - 1-1- 5 Conversion Functions( 111( توابعِ تبدیل -1-2- 5 118 توابع تفکیک - 1-3- 5

132 (Procedures)ها روال -1-4- 5 135 (Packages)ها بسته - 2- 5 135 اعالن بسته -1- 2- 5 Deferred constants( 136(ق ثوابت معو -2- 2- 5 136 اعالن زیر برنامه -3- 2- 5

137 بدنه بسته -4- 2- 5

142 شده تعریف پیش هاي از مشخصه فصل ششم 143 پیشگفتار

Value Kind Attributes( 143(گون هاي مقدار مشخصه -1- 6 143 هاي مقدارِ نوع مشخصه -1-1- 6 146 هاي مقدارِ آرایه مشخصه -1-2- 6 148 هاي مقدارِ بلوک مشخصه -1-3- 6 Function Kind Attributes( 150(گون هاي تابع مشخصه -2- 6 Functin type attributes( 150(نوع هاي تابعِ مشخصه -2-1- 6 Functin Array Attributes( 153( هاي تابعِ آرایه مشخصه -2-2- 6 Function Signal Attributes( 155(هاي تابع سیگنال مشخصه -2-3- 6 LAST_VALUE 156'و EVENT' هاي مشخصه -2-4- 6

LAST_EVENT 157' ي مشخصه - 2-5- 6 LAST_ACTIVE 158' و ACTIVE'هاي مشخصه - 2-6- 6

159 گون هاي سیگنال مشخصه -3- 6 DELAYED 160' مشخصه -3-1- 6 STABLE 163' مشخصه -3-2- 6 QUIET 165' مشخصه -3-3- 6 TRANSACTION 167' ي مشخصه - 3-4- 6

د

Type Kind Attributes( 168(گون هاي نوع مشخصه -3-5- 6 169 گون هاي بازه مشخصه -3-6- 6

171 اه پیکربندي فصل هفتم 172پیشگفتار

172 فرض هاي پیش پیکربندي - 7-1 175 ها کامپوننت بنديِ پیکر -7-2 178 تر پایین حِوسط يِبند هپیکر - 7-2-1 180 معماري - زوج موجودیت پیکربنديِ -7-2-2 7-2-3 - ها درگاهنگاشت (Port Maps) 181 7-3 - 182 هاي کتابخانه موجودیت نگاشت 184 ها ها در پیکربندي ژنریک -7-4 187 تعیین مقادیر ژنریک در معماري - 7-5 189 ها ن مقادیر ژنریک در پیکربنديتعیی -7-6 board-Socket-Chip Analogy( 196( تراشه - سوکت -همانندسازي برد -7-7 199 ها بلوک پیکربنديِ -7-8 201 معماريدر ِ بندي هپیکر -7-9

205 سنتز هشتمفصل 206 پیشگفتار

207 توصیف سطح انتقال رجیستر - 8-1 Constraints( 212( الزامات -8-2 213 بندي الزامات زمان -8-2-1 213 کالک اتالزام -8-2-2 Attributes( 214(ها مشخصه -8-3 Load( 214(بار -8-3-1 Drive( 215(تحریک -8-3-2 Arrival Time( 215(زمان ورود -8-3-3 Technology Libraries( 216(هاي تکنولوژي کتابخانه - 8-4 218 سنتز -8-5 Translation( 219(ترجمه - 8-5-1 Boolean Optimization( 220(بولی سازيِ نهبهی -8-5-2 Flattening( 220(سازي یکنواخت - 8-5-3 Factoring( 221(گیري عامل -8-5-4 Mapping to Gate( 222(به گیت نگاشت - 8-5-5

ه

VHDL 226 سنتز نهم فصل 227 پیشگفتار

227 انتساب همزمان یک گیت ساده -9-1 IF 229عبارات کنترلیِ -9-2 Case 231عبارات کنترلیِ - 9-3 234 عبارات ترتیبی ساده -9-4 235 ی به روش آسنکرونبازنشان - 9-5 9-6- Clear وPreset 236 غیرهمزمان 237 تر عبارات ترتیبیِ پیچیده -9-7 240 ي چهاربیتی دهنده انتقال -9-8 242 مثال ماشینِ حالت -9-9

FPGA 248هاي معماري تراشه دهمفصل 249 تارپیشگف Antifuse 250تکنولوژي -1- 10

SRAM 250تکنولوژي -10-2 Xilinx 252هاي اول شرکت هاي سريتراشه -10-3

10 -4-FPGAسري هاي XC2000 252 10 -5-FPGAسري هاي XC3000 254 10 -6-FPGAسري هاي XC4000 257

10 -7-FPGAريس هاي XC5200 260 XILINX 263 شرکت SPARTANهاي معماري تراشه -8- 10

XILINX 266 شرکت SPARTANII هايهتراشمعماري- 8-1- 10 XILINX 269 شرکت SPARTANIII هايتراشه معماري-8-2- 10

XILINX 274 شرکت VirtexE هايتراشه معماري- 10-9

ISE 8.2 279افزار آموزش نرم یازدهمفصل 280 پیشگفتار

ISE 281 توسطیک مدار شماتیک سازي و شبیهطراحی -1- 11 VHDLبیتی توسط زبان 4سازي مدار شمارنده سازي و پیادهطراحی، شبیه -2- 11

ISE 315در محیط

362 هایمهضم دوازدهمفصل 363 "الف"ضمیمه -1- 12

389 "ب"ضمیمه - 2- 12 398 "ج" ضمیمه -3- 12

401 "د"مه ضمی - 4- 12

و

418 "ه"ضمیمه - 12-5 421 "و"یمه ضم - 12-6

422 مراجع

ز

مقدمه

زبـان آمـوزش نه تنهـا این کتاب. های منحصر به فردی داردکتاب حاضر که در دست شماست از چند جهت ویژگیVHDL های تراشههای مختلف خانوادهمعماری را پوشش می دهد بلکهFPGA ساخت شرکتXilinx را نیز به

از سـوی دیگـر کتـاب بـا داشـتن . دهـد مورد بررسـی قـرار مـی VHDLسازی کدهای عنوان ابزارهای اصلی پیادهو FPGAبه عنـوان واسـط بـین بردهـای ISEافزاررویکردی کاربردی و نه صرفاً دانشگاهی محض، به آموزش نرم

سـازی، در کمتـرین حجـم ممکـن کتاب موجود توانسته با خالصه. پردازدزبان برنامه نویسی به صورت شماتیک میای ی داده تا خوانندگان بتوانند در کمترین وقت و بدون از دست دادن مطالب پایـه محورهای ذکر شده را در خود جا

.و اساسی به دانش مورد نظر دست یابند ، شبیه سازی طـرح، و شماتیکVHDLایجاد یک طرح : از جملهرا با مراحل متعدد طراحی این نسخه، خوانندگان

.کند آشنا می سازی آن بر روی برد آزمایشی، پیادهسنتز طرحآموزش VHDLاین کتاب به نحوی نوشته شده که به مهندسین طراح سخت افزار نحوه توصیف مناسب طرح را با

، طراحـان را قـادر سـازد کـه VHDLهدف از نگارش این کتاب آن است که با ارائه اطالعات کـافی در مـورد . دهدبـر آن نیسـت کـه تمـام سـاختارهای قصـد . را نوشته و نتایج شبیه سـازی را تصـدیق کننـد VHDLسرعت کد

VHDL نشان دهیم بلکـه هـدف نشـان دادن نحـوه نگـارش را در تمامی کاربردهای ممکنVHDL در توصـیف .دقیق و صحیح سخت افزار است

فصـل ( اسـت پرداخته VHDLبخش اول به معرفی زبان . این کتاب به سه بخش منطقی تقسیم بندی شده استهـا ترین خـانواده ترین تا پیچیدهاز ساده Xilinxساخت شرکت FPGAمعماری بردهای در بخش دوم . )نهماول تا

از مرحلـه ابتـدای ISEافزار در نهایت در بخش سوم آموزش کاربردی نرم). دهمفصل (مورد بررسی قرار گرفته است ضـمائم کتـاب . )همیـازد فصـل (آموزش داده شده است FPGAسازی بر روی برد سازی تا مرحله نهایی پیادهشبیه

.)دوازدهمفصل ( و نیز مثالهای بکار رفته در این کتاب است VHDLشامل اطالعات مفیدی در مورد زبان همزمـان بـا معرفـی هـر . به صورت منفرد و یا گروهی پوشش داده شده است VHDLدر بخش نخست، ویژگیهای

ایـن بخـش . یری این ویژگی ها ارائـه شـده اسـت کدام از ویژگیهای زبان، یک یا چند مثال واقعی جهت نحوه بکارگ. توصیف سـخت افـزار معرفـی شـده اسـت ر فصل یکی از قابلیتهای مبناییاست که در ه نهمالی اولشامل فصول

شماتیک طرح و نیز واژه های پایه ای ایـن زبـان بـه توصیف با VHDLط توصیف فصل اول در مورد چگونگی ارتباشـامل مکانیزمهـای مختلـف تـأخیر، چگـونگی VHDLبرخـی از مفـاهیم مبنـایی در فصل دوم . بحث می پردازد

در فصل دوم در مورد عبارات همزمان بحـث مـی . ویژه و نیز درایوها شرح داده شده است -بکارگیری داده های زماندر فصـل انـواع گسـترده داده را . آشنا می کند VHDLشود در حالیکه فصل سوم، خواننده را با عبارات ترتیبی در

. چهارم خواهید دید همراه با مثالهایی در هر مورد که چگونگی بکارگیری آنها را در مثالهای واقعـی نشـان مـی دهـد در این فصل همچنین کاربردهای مختلـف . مفاهیمی همچون زیر برنامه ها و بسته ها در فصل پنجم معرفی می شود

در) attribute(پـنج نـوع خصوصـیت فصل ششـم بـه معرفـی .توابع به همراه ویژگیهای بسته ها آورده شده استVHDL برای هر خصوصیت مثالهایی ذکر شده که بیانگر چگـونگی کـاربرد بهینـه آن توسـط کـاربران . می پردازد

در فصل هفتم یـک قابلیـت خـاص .این مثالها نشانگر آن هستند که هدف از بکارگیری هر خصوصیت چیست. استفرآینـد سـنتز و چگـونگی نگـارش در نهایت . گیردیکربندی است مورد بررسی قرار میکه همان پ VHDLدر زبان

. از بخش اول تشریح شده است نهمو هشتمطرحهای سنتز پذیر در فصول ، FPGA هـای تراشـه رویکـرد کـاربردی و معرفـی مبـانی معمـاری باشد نیـز بـا می دهمکه شامل فصل دومبخش را مورد بررسـی Virtexو Spartan ترهای پیچیدهتا سری XC2000ای ابتدایی ههای مختلف آن از سریخانواده . دهدقرار می

ح

ی شماتیک حدر ابتدا طرا. شودمعرفی می ISE 8.2افزار کتاب است، نرم یازدهمدر بخش سوم که در بردارنده فصل طراحـی، VHDLتفاده از زبـان سازی آموزش داده شده و سپس یک طرح مداری بـا اسـ افزار تا مرحله شبیهبا نرم .شودسازی میروی برد پیادهسازی، سنتز و در نهایت بر شبیه

ضمیمه در انتهای کتاب آمده که اطالعات مرجعـی را بـرای خواننـدگان فـراهم مـی ششدر فصل دوازدهم، نهایتًا، مـی ده شده معرفـی در این کتاب از آن استفا که را IEEE 1164 STD- LOGICبسته " الف "ضمیمه .آورد. ب را به شکل فشرده نشان مـی دهـد است که اطالعات ارائه شده در این کتا هاییولشامل جد "ب "ضمیمه . کند

VHDLکه درکتابچه مرجع زبـان ) BNF )Bachus-Naur Format های، نحوه قرائت توصیف"ج "ضمیمه )VHDL Language Reference Manual (اسـتاندارد "د"ضـمیمه . را توضیح می دهد از آن استفاده شده

VHDL 1076-1993 فرهنگ لغات مصطلح در زبـان "ه"ضمیمه . کندرا معرفی میVHDL را در اختیـار قـرارد جـای پیوست کتاب را در خـو CDسازی شده در های پیادهلیست مشخصات مثال "و"در نهایت ضمیمه . دهدمی

ماننـد یدیگر العاتطو ا های مذکور، دارای مواردثالم وست کتاب، عالوه برپی CDبه ذکر است که الزم .داده استجهـت آشـنایی بیشـتر بـا هـایی هـا و نوشـتار فایـل نیـز و Modelsim 6.1افزار منبع نرم، ISE 8.2افزار منبع نرمVHDL ،های تراشهFPGA افزار کار با نرم نحوه وISE باشدمی. اب تـ بدون شک ایـن ک .لذت ببرید آندر نگارش مابه اندازه این کتاباز مطالعه عزیزان که شما خوانندگ امیدواریمما نیـز . شوندگذشت زمان و مطالعه آن توسط افراد مختلف پدیدار می اکتاب دیگر دارای نقایصی است که بمانند هر

.صمیمانه پذیرای هرگونه پیشنهاد و انتقادی در راستای بهبود کتاب هستیم

(m_kuchaki@iust.ac.ir)ستار میرزاکوچکی (a_khoshsaadat@aut.ac.ir)سعادت علیرضا خوش

ط

.انداینجانب بودهصبور ام که در تمامی لحظات یار و همراه اعضاي خانواده تقدیم به

ستار میرزاکوچکی

ــدر و ــ پــ ــادر یعنــ ــان یمــ ــته انســ ــای گذشــ ــه روزهــ ــداد همــ ــه تعــ ــبوری بــ ،صــــدر و ــادر یعنــــ پــ ــان مــ ــده انســ ــای آینــ ــه روزهــ ــداد همــ ــه تعــ ــی ی بــ ،دلواپســــدر و ــه پـ ــای کودکانـ ــه خوابهـ ــش همـ ــداد آرامـ ــه تعـ ــی بـ ــادر یعنـ ــانمـ ــداریانسـ ،، بیـ

،شـد انسـان پیـر به پای بالیـدن را که عمری ایهای خستهدستمادر یعنی بهانه بوسیدن پدر و ،بود انسانهای دلتنگی که نوازشگر همه سال کسیدر یعنی بهانه در آغوش کشیدن ماپدر و

در سوزش شمع وجود خود، بردباري و باکه هاي مهربانی، پدر و مادر،اسطورهتقدیم به .من بودند راه زندگیزندگی چراغ هايهتمامی لحظ

سعادتعلیرضا خوش