19th International Symposium of Electrical Engineering

SIE 2021

Impact of the different VHDL description styles in the synthesis of FPGA devices

Abstract

Currently it is impossible to design digital systems without using EDA tools (Electronic Design Automation tools) which generally include hardware description languages generally VHDL or Verilog) and synthesis tools, either towards an FPGA (the most common) or towards an ASIC.

The wide variety of syntactic structures in VHDL means that there are many “programming styles” when it comes to describing digital systems, especially those that are sequential.

The above, together with the abundant current literature [1, 2, 3] that is adopting the way of approaching digital circuits and systems only through hardware language and without taking into account its implementation in hardware, causes initiates in this field believe that everything that is described in HDL (Hardware Description Language) is implementable, achievable or synthesized in hardware, in particular in an FPGA, when it is not the case in all situations.

In the present work, a comparative analysis of the different "programming styles" in VHDL and the importance they have in the synthesis on FPGA with the ISE Xilinx tool is carried out, taking into account both the amount of components involved and their interconnectivity and maximum working frequency.

Finally, it is proposed which VHDL structures are the most efficient to describe typical sequential digital systems, such as flip-flops, registers, counters, Finite State Machines and Algorithmic State Machines, and the results of the synthesis on FPGAs using the ISE Xilinx 14.7 tool.

Resumen

Actualmente es imposible diseñar sistemas digitales sin utilizar herramientas EDA (Electronic Design Automation tools) las que incluyen en su generalidad lenguajes de descripción de hardware (generalmente VHDL o Verilog) y herramientas de síntesis, ya bien hacia una FPGA (lo más común) o hacia un ASIC.

La amplia variedad de estructuras sintácticas del VHDL hace que existan muchos “estilos de programación” a la hora de describir sistemas digitales, sobre todo, aquellos que son secuenciales.

Lo anterior, unido a la abundante literatura actual [1, 2, 3] que va adoptando la forma de abordar los circuitos y sistemas digitales solo mediante lenguaje de hardware y sin tener en cuenta su implementación en hardware, provoca que los iniciados en este campo crean que todo lo que se describe en HDL (Hardware Description Language) es implementable, realizable o sintetizable en hardware, en particular en una FPGA, cuando no es así en todas las situaciones.

En el presente trabajo se realiza un análisis comparativo de los diferentes “estilos de programación” en VHDL y la trascendencia que tienen los mismos en la síntesis sobre FPGA con la herramienta ISE Xilinx, teniendo en cuenta, tanto la cantidad de componentes que involucra como su interconectividad.

Finalmente se proponen cuáles estructuras en VHDL son las más eficientes para describir los sistemas digitales secuenciales típicos, tales como biestables, registros, Máquinas de Estado Finito y Máquinas de Estado Algorítmico y los resultados de la síntesis sobre FPGA utilizando la herramienta ISE Xilinx 14.7.