Eine VHDL-Interviewfrage sollte zu einem VHDL-Code führen.
Ich hatte Gelegenheit, einen ghdl llvm-Backend-Fehler mit einer Implementierung von Dave Tweeds Zustandsübergangstabelle zu finden, in der ghdls Autor die Implementierung in einer Funktion auf 17 Zeilen destillierte:
type remains is (r0, r1, r2, r3, r4); -- remainder values
function mod5 (dividend: bit_vector) return boolean is
type remain_array is array (NBITS downto 0) of remains;
type branch is array (remains, bit) of remains;
constant br_table: branch := ( r0 => ('0' => r0, '1' => r1),
r1 => ('0' => r2, '1' => r3),
r2 => ('0' => r4, '1' => r0),
r3 => ('0' => r1, '1' => r2),
r4 => ('0' => r3, '1' => r4)
);
variable remaind: remains := r0;
variable tbit: bit_vector (NBITS - 1 downto 0) := dividend;
begin
for i in dividend'length - 1 downto 0 loop
remaind := br_table(remaind,tbit(i));
end loop;
return remaind = r0;
end function;
Der zugehörige Testfall ist recht klein, um das Debuggen zu vereinfachen, und verwendet Statusnamen, die mit VHDL kompatibel sind. Der Aufzählungstyp bleibt erhalten:
(erstellt mit Dia)
Die Idee dabei ist, dass die Funktion (oder sogar ein Beispiel für ein VHDL-Programm mit 27 Zeilen) kurz genug ist, um während eines Interviews eine VHDL-Antwort zu schreiben. Kein Grund zur Sorge, eine Interviewfrage zu verderben, die den Nachweis von Wissen und Können erfordert. Es wird von einem Interviewten erwartet, dass er eine Implementierung verteidigt, wenn er befragt wird.
(Der Fehler im llvm-Backend wurde heute in Commit 1f5df6e behoben .)
Zu beachten ist, dass die Zustandsübergangstabelle auch angibt, wo ein Quotientenbit eine '1' ist, die durch einen Übergang in einen Zustand mit einem niedrigeren Restwert (oder beiden Übergängen für r4) angezeigt wird, wenn 5 von der Dividende subtrahiert wird. Dies kann in einer separaten Tabelle (oder einer Tabelle eines Datensatztyps, der umständlich zu sein scheint) codiert werden. Wir machen dies historisch in Grafikhardware, die mit horizontalen Bildschirmauflösungen um ein Vielfaches von 5 Pixeln arbeitet.
Auf diese Weise erhalten wir ein div / mod5, das einen Quotienten und einen Rest ergibt:
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity divmod5 is
generic (
NBITS: natural := 13
);
port (
clk: in std_logic;
dividend: in std_logic_vector (NBITS - 1 downto 0);
load: in std_logic;
quotient: out std_logic_vector (NBITS - 3 downto 0);
remainder: out std_logic_vector (2 downto 0);
remzero: out std_logic
);
end entity;
architecture foo of divmod5 is
type remains is (r0, r1, r2, r3, r4); -- remainder values
type remain_array is array (NBITS downto 0) of remains;
signal remaindr: remain_array := (others => r0);
signal dividendreg: std_logic_vector (NBITS - 1 downto 0);
signal quot: std_logic_vector (NBITS - 3 downto 0);
begin
parallel:
for i in NBITS - 1 downto 0 generate
type branch is array (remains, bit) of remains;
-- Dave Tweeds state transition table:
constant br_table: branch := ( r0 => ('0' => r0, '1' => r1),
r1 => ('0' => r2, '1' => r3),
r2 => ('0' => r4, '1' => r0),
r3 => ('0' => r1, '1' => r2),
r4 => ('0' => r3, '1' => r4)
);
type qt is array (remains, bit) of std_ulogic;
-- Generate quotient bits from Dave Tweeds state machine using q_table.
-- A '1' when a remainder goes to a lower remainder or for both branches
-- of r4. A '0' for all other branches.
constant q_table: qt := ( r0 => (others => '0'),
r1 => (others => '0'),
r2 => ('0' => '0', '1' => '1'),
r3 => (others => '1'),
r4 => (others => '1')
);
signal tbit: bit;
begin
tbit <= to_bit(dividendreg(i));
remaindr(i) <= br_table(remaindr(i + 1),tbit);
do_quotient:
if i < quot'length generate
quot(i) <= q_table(remaindr(i + 1),tbit);
end generate;
end generate;
dividend_reg:
process (clk)
begin
if rising_edge(clk) then
if load = '1' then
dividendreg <= dividend;
end if;
end if;
end process;
quotient_reg:
process (clk)
begin
if rising_edge (clk) then
quotient <= quot;
end if;
end process;
remainders:
process (clk)
begin
if rising_edge(clk) then
remzero <= '0';
case remaindr(0) is
when r0 =>
remainder <= "000";
remzero <= '1';
when r1 =>
remainder <= "001";
when r2 =>
remainder <= "010";
when r3 =>
remainder <= "011";
when r4 =>
remainder <= "100";
end case;
end if;
end process;
end architecture;
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;
entity divmod5_tb is
end entity;
architecture foo of divmod5_tb is
constant NBITS: integer range 0 to 13 := 8;
signal clk: std_logic := '0';
signal dividend: std_logic_vector (NBITS - 1 downto 0);
signal load: std_logic := '0';
signal quotient: std_logic_vector (NBITS - 3 downto 0);
signal remainder: std_logic_vector (2 downto 0);
signal remzero: std_logic;
signal psample: std_ulogic;
signal sample: std_ulogic;
signal done: boolean;
begin
DUT:
entity work.divmod5
generic map (NBITS)
port map (
clk => clk,
dividend => dividend,
load => load,
quotient => quotient,
remainder => remainder,
remzero => remzero
);
CLOCK:
process
begin
wait for 5 ns;
clk <= not clk;
if done'delayed(30 ns) then
wait;
end if;
end process;
STIMULI:
process
begin
for i in 0 to 2 ** NBITS - 1 loop
wait for 10 ns;
dividend <= std_logic_vector(to_unsigned(i,NBITS));
wait for 10 ns;
load <= '1';
wait for 10 ns;
load <= '0';
end loop;
wait for 15 ns;
done <= true;
wait;
end process;
SAMPLER:
process (clk)
begin
if rising_edge(clk) then
psample <= load;
sample <= psample after 4 ns;
end if;
end process;
MONITOR:
process (sample)
variable i: integer;
variable div5: integer;
variable rem5: integer;
begin
if rising_edge (sample) then
i := to_integer(unsigned(dividend));
div5 := i / 5;
assert div5 = unsigned(quotient)
report LF & HT &
"i = " & integer'image(i) &
" div 5 expected " & integer'image(div5) &
" got " & integer'image(to_integer(unsigned(quotient)))
SEVERITY ERROR;
rem5 := i mod 5;
assert rem5 = unsigned(remainder)
report LF & HT &
"i = " & integer'image(i) &
" rem 5 expected " & integer'image(rem5) &
" got " & integer'image(to_integer(unsigned(remainder)))
SEVERITY ERROR;
end if;
end process;
end architecture;
Implementiert hier mit einer Erzeugungsanweisung, einer inneren Erzeugungsanweisung, die Quotientenbits erzeugt. Das Array remaindr stellt eine Ablaufverfolgung für den Statusübergang bereit:
Alles ohne Rechenoperation.
Es ist auch möglich, eine Prozedur zu implementieren, ohne dass alle Register die Parameter mit Modus ausnutzen. Das würde sich einer Mindestanzahl von Zeilen für ein Interview nähern.
Eine getaktete sequentielle Implementierung würde einen Bitzähler und eine Flusssteuerung erfordern (ein JK-Flipflop und ein paar Gatter).
Es gibt einen Kompromiss zwischen Zeit und Komplexität, der von der Dividendengröße abhängt, die Sie wahrscheinlich auch in einem Interview verteidigen müssen.
