Diseño de Sistemas Digitales con VHDL: Contadores, Máquinas de Estados y Aplicaciones Prácticas
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Registro y Contador Universal: Solución "Todo en Uno"
Uso: Este patrón es ideal si se requiere implementar un registro, un contador ascendente/descendente o un acumulador.
Parámetros a modificar:
- El valor de
N(ancho de bits). - El tipo de datos:
UNSIGNEDoSIGNED. - La lógica interna dentro del bloque
if(operaciones de suma, resta o carga).
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
use IEEE.NUMERIC_STD.all; -- ¡Indispensable para contadores!
entity Universal_Counter is
generic (N: INTEGER := 8); -- Cambia 8 por el valor requerido
port (
Reset : in STD_LOGIC;
Clock : in STD_LOGIC;
Load : in STD_LOGIC; -- Señal de carga (opcional)
Up : in STD_LOGIC; -- Control arriba/abajo (opcional)
Data : in UNSIGNED(N-1 downto 0); -- Entrada de datos
Q_out : out UNSIGNED(N-1 downto 0) -- Salida
);
end Universal_Counter;
architecture Behavioral of Universal_Counter is
begin
process(Reset, Clock)
-- Variable interna para poder leer y escribir en el mismo ciclo
variable v_Count: UNSIGNED(N-1 downto 0);
begin
-- 1. Reset Asíncrono (Prioridad absoluta)
if (Reset = '1') then
v_Count := (others => '0');
-- 2. Flanco de Reloj
elsif (Clock = '1' and Clock'EVENT) then
-- Aquí va la lógica del ejercicio:
if (Load = '1') then
v_Count := Data; -- Carga paralela
elsif (Up = '1') then
v_Count := v_Count + 1; -- Cuenta arriba
else
v_Count := v_Count - 1; -- Cuenta abajo
end if;
end if;
-- 3. Asignación a la salida (fuera de los ifs, pero dentro del process)
Q_out <= v_Count;
end process;
end Behavioral;Máquina de Estados Finitos (FSM) Estilo E3
Uso: Recomendado para controladores, semáforos y detectores de secuencia.
architecture Behavioral of Mi_FSM is
-- Define tus estados aquí con nombres claros
type states is (S_Idle, S_Espera, S_Activo, S_Fin);
variable state: states; -- Usamos variable según los requerimientos de diseño
begin
process(Reset, Clock)
begin
-- 1. Reset
if (Reset = '1') then
state := S_Idle;
-- Resetear salidas (opcional pero recomendado)
Salida1 <= '0';
Salida2 <= '0';
-- 2. Reloj
elsif (Clock = '1' and Clock'EVENT) then
-- IMPORTANTE: Valores por defecto (para no repetir código)
-- Así solo escribes cuando la señal vale '1'
Salida1 <= '0';
Salida2 <= '0';
-- 3. Máquina de Estados
case state is
when S_Idle =>
if (Entrada_Start = '1') then
state := S_Activo; -- Transición
end if;
when S_Activo =>
Salida1 <= '1'; -- Salida específica de este estado
if (Entrada_Fin = '1') then
state := S_Fin;
end if;
when S_Fin =>
Salida2 <= '1';
state := S_Idle; -- Vuelta al inicio automática
when others =>
state := S_Idle; -- Recuperación de errores
end case;
end if;
end process;
end Behavioral;Máquina de Estados con Operaciones Complejas
Uso: Problemas complejos como el Multiplicador o la Raíz Cuadrada. Combina estados con sumas, restas y desplazamientos.
Estructura Clave:
- Declara
variablespara tus registros de datos (A,B,Resultado) justo después deprocess(...). - Usa
:=para asignar valores a esas variables. - Realiza las operaciones matemáticas dentro de los estados del
CASE.
architecture Behavioral of Algoritmo is
begin
process(Reset, Clock)
-- Variables de DATOS (Registros internos)
variable Reg_A : UNSIGNED(7 downto 0);
variable Reg_B : UNSIGNED(7 downto 0);
-- Variable de ESTADO
type states is (S_Load, S_Operate, S_Done);
variable state: states;
begin
if (Reset = '1') then
state := S_Load;
Reg_A := (others => '0');
elsif (Clock = '1' and Clock'EVENT) then
case state is
when S_Load =>
if (Start = '1') then
Reg_A := UNSIGNED(Entrada_Dato_A); -- Cargar dato
Reg_B := UNSIGNED(Entrada_Dato_B);
state := S_Operate;
end if;
when S_Operate =>
-- Aquí se implementa la lógica matemática
Reg_A := Reg_A + Reg_B; -- Ejemplo: Sumar
-- Reg_A := Reg_A srl 1; -- Ejemplo: Desplazar a la derecha
if (Reg_A > 100) then -- Condición de salida
state := S_Done;
end if;
when S_Done =>
Done_Flag <= '1'; -- Avisar finalización
Salida_Resultado <= STD_LOGIC_VECTOR(Reg_A);
state := S_Load; -- Volver a empezar
end case;
end if;
end process;
end Behavioral;Caso Práctico: Robot Aspirador (Vacuum Cleaner Robot)
Propose a VHDL description of a vacuum cleaner robot with inputs ‘start’, ‘object’, ‘stop’ and ‘batlow’ and outputs ‘go’, ‘turn’ and ‘redlight’, all of 1 bit. The robot works with a clock of 5 Hz. It waits until start=‘1’ with all the outputs to ‘0’. In the next cycle it puts go=‘1’ until object=‘1’. Then, go=‘0’ and turn=‘1’ and in the next cycle it goes back to go=‘1’ and turn=‘0’. This repeats until stop=‘1’. Whenever batlow=‘1’, go=‘0’, turn=‘0’ and redlight=‘1’.
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
-- No se requiere numeric_std al no haber contadores ni operaciones aritméticas.
entity VacuumBot is
port (
reset : in STD_LOGIC;
clock : in STD_LOGIC;
start : in STD_LOGIC; -- Botón de encendido
object : in STD_LOGIC; -- Sensor de objeto
stop : in STD_LOGIC; -- Botón de parada
batlow : in STD_LOGIC; -- Sensor de batería baja
go : out STD_LOGIC; -- Motor avance
turn : out STD_LOGIC; -- Motor giro
redlight: out STD_LOGIC -- Luz de error
);
end VacuumBot;
architecture Behavioral of VacuumBot is
begin
-- Proceso único para control de estados y salidas
process(reset, clock)
-- Paso 2: Definir el TYPE con los estados del diagrama
type states is (idle, move, roll, error);
-- Uso de VARIABLE para el estado (estilo FSMD)
variable state: states;
begin
-- Reset Asíncrono (Pág. 69)
if (reset = '1') then
state := idle;
go <= '0'; turn <= '0'; redlight <= '0';
-- Detección de flanco de reloj (Pág. 69)
elsif (clock = '1' and clock'EVENT) then
-- ASIGNACIONES POR DEFECTO (Pág. 74)
-- Evita la inferencia de Latches y simplifica el código.
go <= '0';
turn <= '0';
redlight <= '0';
-- Paso 4: Traducción del Diagrama de Estados (CASE)
case state is
-- ESTADO IDLE (Pág. 70)
when idle =>
-- Prioridad 1: Stop (Permanece en idle)
if (stop = '1') then
state := idle;
-- Prioridad 2: Batería baja
elsif (batlow = '1') then
state := error;
-- Prioridad 3: Start
elsif (start = '1') then
state := move;
end if;
-- ESTADO MOVE (Pág. 71)
when move =>
go <= '1'; -- Acción: Avanzar
if (stop = '1') then
state := idle;
elsif (batlow = '1') then
state := error;
elsif (object = '1') then -- Detección de obstáculo
state := roll;
end if;
-- ESTADO ROLL (Pág. 72)
when roll =>
turn <= '1'; -- Acción: Girar
if (stop = '1') then
state := idle;
elsif (batlow = '1') then
state := error;
else
-- Retorno automático al movimiento si no hay incidencias
state := move;
end if;
-- ESTADO ERROR (Pág. 73)
when error =>
redlight <= '1'; -- Acción: Alerta visual
-- Salida del estado de error mediante stop
if (stop = '1') then
state := idle;
end if;
end case;
end if;
end process;
end Behavioral;