TD3 VHDL Compteurs et registres

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La logique abordée dans ce chapitre est parfois appelée logique séquentielle régulière.

Définition

On appelle logique séquentielle régulière toute logique séquentielle pour laquelle le calcul de l'état futur en fonction de l'état présent s'exprime facilement avec des opérateurs simples et classiques, par exemple l'opérateur addition pour décrire un compteur.

Les compteurs sont des éléments très utiles en VHDL. Il permettent de gérer tout ce qui est temporisation et évidemment le comptage.

Le compteur simple[modifier | modifier le wikicode]

Il est possible d'utiliser un style "case when" (présenté en début de ce livre) pour programmer un compteur. Cela devient vite fastidieux cependant, lorsque le nombre de bits du compteur augmente.

Exercice 1[modifier | modifier le wikicode]

Combien d'états comporte un compteur de n bits et donc combien de lignes pour chacun des « case » ? Application numérique : prendre n=16.

Eviter une programmation trop fastidieuse[modifier | modifier le wikicode]

L'idéal serait donc de pouvoir écrire quelque chose du style

	compteur <= compteur + 1;

Cela peut se faire en respectant les conditions suivantes :

  • utilisation de la librairie IEEE 1164
  • utilisation de la librairie IEEE ARITH
  • utilisation de la librairie IEEE UNSIGNED
  • déclaration de compteur comme std_logic_vector

Avec XILINX cela se fait avec les lignes (devant chacune des entités concernées) :

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all; -- WARP : use work.std_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

Mais cette façon de faire n'est pas portable comme le montre le commentaire ci-dessus. Elle reste pourtant très simple par rapport à la façon portable que l'on va présenter maintenant. Les différences commencent par l'utilisation d'autres librairies. Il s'agit maintenant d'utiliser :

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

Jusque là les changements sont limités mais tout commence à se dégrader avec la suite : remplacer systématiquement

compteur <= compteur+1;

par

compteur <= std_logic_vector(unsigned(compteur)+1);

Oui, nous savons bien que c'est douloureux, mais comme on dit, on a rien sans rien.

Remarque : La bonne solution est en fait de déclarer le signal de la manière suivante :

signal compteur : unsigned;

et de l'incrémenter avec

compteur <= compteur + 1;

De cette façon votre code sera portable car respectant le standard défini par l'IEEE (malgré leurs noms les bibliothèques ieee.std_logic_arith, ieee.std_logic_unsigned et ieee.std_logic_signed ne font pas partie du standard IEEE mais sont des extensions propriétaires développées par Synopsys et dont l'implémentation peut varier suivant les outils de développement).

Voici schématiquement le calcul de l'état futur en fonction de l'état présent pour un compteur :

Compteur.png

Remarquez que la fonction de calcul s'écrit de manière très simple à l'aide de l'opérateur d'addition.

Exercice 2[modifier | modifier le wikicode]

Vous disposez d'une horloge rapide et vous voulez en réaliser une plus lente dont la fréquence est divisée par 32768. Proposez un compteur avec comme entrée horloge et comme sortie h_lente (toutes deux sur un bit). Le compteur intermédiaire sera réalisé par un signal.

Possibilité d'utiliser un signal de type integer[modifier | modifier le wikicode]

Plutôt que de déclarer des std_logic_vector vous pouvez utiliser le type integer. Dans ce cas le compilateur peut avoir des problèmes pour trouver le nombre de bits nécessaire pour le compteur. Il faudra donc utiliser une comparaison supplémentaire :

architecture a_cmpt of cmpt is
signal Count : integer :=0; 
  process begin
    if (Clk'event and Clk='0') then
	if (Count=7) then Count <=0; -- sur 3 bits
	else Count <=Count+1;
	end if;
    end if;
  end process;
end a_cmpt;

Nous n'utiliserons pas ce type de programmation dans ce document. Il est juste donné par souci d'exhaustivité.

Compteur avec Remise à Zéro (RAZ)[modifier | modifier le wikicode]

L'entrée RAZ( Remise à Zéro) (Reset en anglais) sur un compteur est une entrée qui permet de mettre la valeur du compteur à 0. Elle peut être synchrone (prise en compte seulement sur front d'horloge) ou asynchrone. Pour la suite de la section nous utiliserons l'entité que l'on donne maintenant :

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all; 
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY Compteur IS
PORT (
  clk,raz :IN std_logic;
  q : BUFFER std_logic_vector(3 downto 0));
END Compteur;

Cette entité va nous permettre de présenter la technique synchrone et asynchrone (process seulement) :

-- ******* methode synchrone **********
PROCESS(clk) BEGIN
  IF clk'event and clk='1' THEN
    IF raz='1' THEN
      q <= (OTHERS=>'0'); -- ou q <= "0000";
    ELSE
      q <= q + 1;
    END IF;
  END IF;
END PROCESS;

et

-- ******** methode asynchrone *********
PROCESS(clk,raz) BEGIN
  IF raz='1' THEN
      q<=(OTHERS=>'0'); -- ou q <= "0000";
  ELSIF clk'event and clk='1' THEN
      q <= q + 1;
  END IF;
END PROCESS;

On peut remarquer que la liste de sensibilité n'est pas la même dans les deux cas : "clk" pour le synchrone et "clk,raz" pour l'asynchrone.

'

Remarque sur le type BUFFER : Xilinx déconseille d'utiliser le type BUFFER dans une entité, particulièrement quand il s'agit d'un signal interne au FPGA (pas une sortie physique). Il conseille plutôt d'utiliser un signal pour compter et une sortie spécifique pour sortir le ou les bits utiles. Pour l'initialisation synchrone, par exemple, le programme complet sera la suivant :

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all; 
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY Compteur IS
PORT (
  clk,raz :IN std_logic;
  qs : OUT std_logic_vector(3 downto 0)); -- sortie véritable
END Compteur;
ARCHITECTURE aCmpt OF Compteur IS
SIGNAL q : std_logic_vector(3 downto 0); -- signal intermédiaire
BEGIN
-- RAZ synchrone
  PROCESS(clk) BEGIN
    IF clk'event and clk='1' THEN
      IF raz='1' THEN
        q<=(OTHERS=>'0');
      ELSE
        q <= q + 1;
      END IF;
    END IF;
  END PROCESS;
-- toujours faire :
  qs <= q;
END aCmpt;

On s'efforcera de respecter cette mise en garde par la suite.

Exercice 3[modifier | modifier le wikicode]

Réaliser un compteur avec SET et RESET synchrones et asynchrones.

Modifier ce compteur pour qu'il compte jusqu'à 24.

Compteur avec chargement parallèle[modifier | modifier le wikicode]

Le chargement parallèle est en général asynchrone dans les circuits existants. Nous allons le conserver comme tel :

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all; 
use ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY Compteur IS
PORT (
  clk,load :IN std_logic;
  qs : OUT std_logic_vector(3 downto 0);
  qe : IN std_logic_vector(3 downto 0));
END Compteur;
ARCHITECTURE acmpt OF Compteur IS 
SIGNAL q :std_logic_vector(3 downto 0);
BEGIN
  qs <= q;
  PROCESS(clk,load) BEGIN
    IF load='1' THEN
      q<=qe; 
      -- ou q<=31; valeur predefinie
    ELSIF clk'event and clk='1' THEN
      q<=q+1;
    END IF;
  END PROCESS;
END acmpt;

Compteur 4 bits BCD avec validation d'horloge[modifier | modifier le wikicode]

Pour terminer ce chapitre on présente un compteur BCD, c'est à dire qui compte de 0 à 9 qui est emprunté au WikiBook anglais VHDL for FPGA Design.

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Counter2_VHDL is
   port( Clock_enable: in std_logic;
 	 Clock: in std_logic;
 	 Reset: in std_logic;
 	 Output: out std_logic_vector(3 downto 0));
end Counter2_VHDL;
 
architecture Behavioral of Counter2_VHDL is
   signal temp: std_logic_vector(3 downto 0);
begin   
   process(Clock,Reset) begin
      if Reset='1' then
         temp <= "0000";
      elsif(Clock'event and Clock='1') then
 	 if Clock_enable='0' then
	    if temp="1001" then
	       temp<="0000";
	    else
	       temp <= temp + 1;
	    end if;
	 else
	    temp <= temp;
         end if;
      end if;
   end process;
   Output <= temp;
end Behavioral;

Résultats de simulation[modifier | modifier le wikicode]

 Counter bcd enable f.png

Vous pouvez remarquer que dans cet exemple c'est Output(3) qui est le poids faible, ce qui est conforme à sa déclaration "0 to 3". Je préfère quant à moi utiliser un "3 downto 0" ce qui laisse le poids faible avec le numéro 0.

Compteur BCD cascadable[modifier | modifier le wikicode]

Il n'est pas difficile de trouver le code correspondant sur Internet. Voici par exemple :

-- Fichier : compteur_bcd10.vhdl
-- Description : Compteur BCD de 0 a 9
library IEEE;                -- On inclus la librairie IEEE
use IEEE.std_logic_1164.all;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY compteur_bcd10 IS -- Définition des entrées/sorties
-- !!!!! ATTENTION le poids fort est en 0 !!!!!!!!!!!!
         PORT(clk, en, clr : IN std_logic;
          rco : OUT std_logic;
          q : OUT INTEGER RANGE 0 TO 9);
END compteur_bcd10;
ARCHITECTURE behav OF compteur_bcd10 IS
SIGNAL cnt : INTEGER RANGE 0 TO 9; -- signal interne
BEGIN
         q <= cnt; -- q, la sortie vaut la valeur du compte actuel en tout temps
         PROCESS(clk, clr)                            -- Process sensible à l’horloge et au “clear”
         BEGIN
                 IF (clr='1') THEN                    -- “clear” asynchrone
                           cnt <= 0;
                           --rco <= ’0’;
                 ELSIF (clk'EVENT AND clk='1') THEN -- au front montant
                           IF (en='1') THEN -- si enable est à 1
                                    IF (cnt = 9) THEN -- Si on atteint 9 on fait un rco
                                            cnt <= 0; -- et on remet le compteur a 0
                                            --rco <= ’1’;
                                    ELSE -- Sinon on compte
                                            cnt <= cnt + 1;
                                            --rco <= ’0’;
                                    END IF;
                           END IF;
                 END IF;
         END PROCESS;
         PROCESS(cnt,en) BEGIN
            IF cnt=9 and en='1' then 
              rco <='1';
            ELSE
              rco <='0';
            END IF;
         END PROCESS;
END behav;

Compteur décompteur BCD cascadable[modifier | modifier le wikicode]

Une entrée supplémentaire doit être ajoutée. On l'appellera "du" pour "Down/up" qui permet de choisir entre un comptage et un décomptage. Voici par exemple :

-- description du composant compteur/decompteur cascadable
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity compteurbcd is port (
		clk :in std_logic;
		en : in std_logic;
		init : in std_logic;
--ud=1 up, ud=0 down
		ud : in std_logic;
		enout : out std_logic;
		s: out std_logic_vector(3 downto 0)
		);
end entity;
	
architecture behavior of compteurbcd is
	signal n : std_logic_vector(3 downto 0);
	begin
	changement : process(clk) begin
		if clk'event and clk='1' then
			if init ='1' then
				n <= (others => '0');
			elsif en='1' then
				if ud = '1' then  --up
					if n<9 then
						n <= n + 1 ;
					else
						n <= (others => '0');
					end if;
				else -- down
					if n > 0 then
						n <= n - 1 ;
					else
						n <= "1001";
					end if;
				end if;
			end if;	
		end if;
	end process;
-- gestion enout
   enout <= '1' when en='1' and ud='1' and n=9 else
	    '1' when en='1' and ud='0' and n=0 else
            '0';
-- toujours
   s <= n;
end behavior;

Comme vous pouvez le voir dans le code, ud=1 permet un comptage tandis que ud=0 permet un décomptage.

Nous avons choisi une autre manière de gérer la sortie "enout" que dans la section précédente : utilisation d'un when else au lieu d'un if. Cela permet d'éviter le process. En effet la gestion avec un if devrait s'écrire :

	enableout: process(n,en,ud)
	begin
		if en='1' then
			if ud='1' and n=9 then
				enout<= '1';
			elsif ud='0' and n=0 then
				enout<='1';
			else 
				enout<='0';
			end if;
		else -- ajouté 4/5/2011 pour eviter comptage intempestif sur dizaine
		  enout<='0';
		end if;
	end process;

Temporisation[modifier | modifier le wikicode]

L'application la plus courante des compteurs est la temporisation.

Exercice 4 : réalisation des signaux de synchronisation d'un écran VGA[modifier | modifier le wikicode]

On désire réaliser les deux signaux hsynch et vsynch nécessaire au bon fonctionnement d'un écran VGA. Ils sont caractérisés par les durées suivantes :

Les signaux VGA : bleu, vert, rouge, synchronisation horizontale et synchronisation verticale

On peut distinguer sur cette spécification un exemple de signaux rouge, vert et bleu en haut, puis les deux signaux qui nous intéressent vraiment "hsynch" et "vsynch". Techniquement la réalisation de ces deux signaux est faite à l'aide de deux compteurs de la manière suivante :

Architecture pour réaliser les signaux VGA

On vous demande de répondre aux questions suivantes :

1°) Calculer la période de l'horloge à 25MHz (P88).

2°) Le compteur 0 -> XXX commence à compter au début des 25,6 μs. Jusqu'à combien doit-il compter pour réaliser ces 25,6 μs?

3°) Il lui faut réaliser ensuite 0,64 μs, jusqu'à combien doit-il compter ? Il lui faut réaliser ensuite 3,8 ms, jusqu'à combien doit-il compter ? Il lui faut réaliser ensuite la période complète 31,75 ms, jusqu'à combien doit-il compter ? (C'est la valeur de XXX à un près) On arrondit en général XXX à 799. Déduire de tout cela la valeur de ZZZ et TTT.

4°) Ce sont les hsynch qui incrémentent le compteur 0->YYY. Quelle est la période correspondante (si l'on prend XXX=799) ?

5°) Combien de temps dure la période des 480 lignes avec le résultat de la question 4° (à comparer à 15,24 ms de la spécification VGA).

6°) A l'aide du résultat de 4°) trouver de combien doit compter le compteur pour réaliser le temps de 0,35 ms.

7°) A l'aide du résultat de 4°) trouver de combien doit compter le compteur pour réaliser le temps de 64 ms.

8°) A l'aide du résultat de 4°) trouver de combien doit compter le compteur pour réaliser la période complète de 16,6 ms. Est-il normal d'arrondir à 520 ?

9°) En déduire les valeurs de UUU et VVV ?

Registre à décalage[modifier | modifier le wikicode]

L'opérateur de concaténation "&" est utile pour ce genre de registre. Voici un exemple de registre à décalage vers la gauche (vers les poids forts, ou bien il s'agit ici d'un décalage à droite vers les bits de poids faible, puisqu'on enlève le bit 0 de poids faible[précision nécessaire]).

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
entity ShiftReg is
  port(clk,entree : in std_logic;
       q : out std_logic_vector(7 downto 0));
end ShiftReg;
architecture aShiftReg of ShiftReg is
  signal dataq : std_logic_vector(7 downto 0);
begin
  process(clk) begin
     if clk'event and clk='0' then
-- c'est ici que l'on concatène
       dataq <= entree & dataq(7 downto 1);
	 end if;
  end process;
  process(dataq)begin
     q<=dataq;
  end process;
end aShiftReg;

Autre exemple de registre à décalage 4 bits[modifier | modifier le wikicode]

Cet exemple est encore tiré du WikiBook VHDL for FPGA Design.

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Shift_register_VHDL is

   port( Clock: in std_logic;
 	 L,w: in std_logic;
 	 Output: out std_logic_vector(3 downto 0);
 	 Input: in std_logic_vector( 3 downto 0));

end Shift_register_VHDL;

architecture Behavioral of Shift_register_VHDL is
   signal temp: std_logic_vector(3 downto 0);
begin
   process
   begin
      wait until Clock'event and Clock='1';
 	 if L='1' then
 	    temp <= Input;
 	 else 
 	    for i in 0 to 2 loop
 	       temp(i) <= temp(i+1);
 	    end loop;
 	    temp(3) <= w;
 	 end if;
    end process;
    Output <= temp;
end Behavioral;

Résultats de simulation[modifier | modifier le wikicode]

 Shift reg f.png

Et maintenant quelques définitions avant de passer à l'exercice suivant.

Définition

  • Les aléas de fonctionnement correspondent à des valeurs de tensions inattendues sur un fil et de durée très courtes. On les appelle aussi parasites électriques.
  • Les rebonds se produisent essentiellement avec des interrupteurs mécaniques : il s'agit bien d'un rebond mécanique souvent inévitable. Mais lorsque l'interrupteur agit comme une horloge, cela peut devenir embêtant. Il existe plusieurs techniques pour éliminer ces rebonds.

Nous proposons une méthode qui utilise un registre à décalage à travers un exercice.

Exercice 5 (filtrage de rebonds et/ou aléas)[modifier | modifier le wikicode]

L'architecture peut être décrite comme suit : un registre à décalage 4 bits sensible aux fronts descendants de T9, une bascule D qui mémorise l'état de notre sortie et une partie combinatoire qui génère un 1 à l'entrée de la bascule D dès que le registre est rempli par 4 bits à 1 et que sortie vaut 0.

Filtrer les rebonds

Cette figure peut être expliquée de la manière suivante :

  • si l'on est avec une horloge à 0 (sortie de la bascule D) seuls une série de 1 dans tout le registre peut le mettre à un.
  • si l'on est avec une horloge à 1 (sortie de la bascule D) seuls une série de 0 dans tout le registre peut le mettre à zéro.

Compléter les chronogrammes ci-dessous.

Chronogrammes à compléter

Ceci termine le TD3.


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