Diferencia entre If-else y Case en VHDL

Quiero entender cómo se sintetizan diferentes construcciones en el código VHDL en RTL.

¿Alguien puede decirme la diferencia entre la construcción If-Else y las construcciones de declaración de caso de un proceso en VHDL en términos de cómo la herramienta de síntesis inferencia el código en el circuito RTL?
Considere el caso de múltiples if-else anidados y la combinación de declaraciones de casos con la construcción if-else dentro de un proceso.
¿También cuándo usar qué construcción?

PD: He visto una pregunta relacionada "Declaraciones if múltiples en proceso en vhdl" pero eso no responde a mi pregunta de todos modos.

vhdl code-design rtl

— nurabha
fuente

No puedo comentar cómo se configurarían las compuertas físicas, pero en la mayoría de los compiladores que emiten ensamblaje x86, un if-else generalmente existe como una verificación única con un salto condicional (por ejemplo, jg, jl, jz, jnz, etc.), mientras que switch organiza los casos en orden numérico y realiza iterativos dec/ jzinstrucciones, lo cual es mucho más eficiente. Quizás se aplique una optimización similar aquí.

— Polinómico

@Polynomial El comportamiento de If-else y case es significativamente diferente en los lenguajes de hardware en comparación con su programación lineal típica. Las optimizaciones del código de operación no son muy relevantes ya que la instrucción HDL se ejecuta "instantáneamente".

— W5VO

Respuestas:

¿Alguien puede decirme la diferencia entre la construcción If-Else y las construcciones de declaración de caso de un proceso en VHDL en términos de cómo la herramienta de síntesis inferencia el código en el circuito RTL?

La if-elsif-elseconstrucción infiere una red de enrutamiento prioritario:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esto corresponde a

if bool_expr_1 then
    sig <= val_expr_1;
elsif bool_expr_2 then
    sig <= val_expr_2;
elsif bool_expr_3 then
    sig <= val_expr_3;
else
    sig <= val_expr_4;
end if;

La caseconstrucción, por otro lado, infiere un gran cambio:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Esto corresponde a

case case_expr is
  when c0 =>
    sig <= val_expr_0;
  when c1 =>
    sig <= val_expr_1;
  when c2 =>
    sig <= val_expr_2;
      ...
  when others =>
    sig <= val_expr_N;
end case;

Obviamente, estos son diseños muy simplificados con una sola expresión de valor, lo que resulta en una salida.

Considere el caso de múltiples if-else anidados y la combinación de declaraciones de casos con la construcción if-else dentro de un proceso.

Según lo anterior, puede ver cómo se anidarían / mezclarían.

¿También cuándo usar qué construcción?

Dado que if-elseinfiere prioridad, debe usarse cuando puede ocurrir más de una condición de entrada. Usar case, por otro lado, es apropiado cuando las entradas son mutuamente excluyentes.

— Angelo Stavrow
fuente

Entiendo que el enunciado de caso solo funciona para una condición de entrada única y, si no, puede funcionar para condiciones de entrada múltiple. Pero ambas construcciones esencialmente generan muxes (en ausencia de clk). ¿No es posible que la síntesis lógica pueda optimizar una entrada única si no para un solo gran mux en lugar de una cadena de muxes? Además, ¿qué es una red de enrutamiento prioritario ... no es simplemente una cadena de muxes en lugar de 1 big mux?

— nurabha

Además, cuando tenemos un proceso sensible a un reloj, if-else puede generar elementos secuenciales como registros, pestillos, etc. ¿Puede una declaración de caso generar también lógica secuencial?

— nurabha

Sí, una red de enrutamiento prioritario es exactamente eso: una cadena de muxes. La naturaleza de la if-elseconstrucción, sin embargo, es donde surge esa cadena. La primera condición debe fallar para que se pruebe la segunda condición. Este no es el caso para, er, la caseconstrucción, y esta es la razón por la cual una if-elsedeclaración no puede sintetizarse como un solo mux grande.

— Angelo Stavrow

Y sí, una casedeclaración también puede generar lógica secuencial. Encontré "Real World VHDL" , una serie de diapositivas de conferencias de la Universidad de Glasgow, que pueden serle útiles.

— Angelo Stavrow

Esta es una buena referencia.

— nurabha

En esta antigua publicación de blog , el autor escribió y sintetizó dos versiones funcionalmente equivalentes de código VHDL. Uno usando if-else, el otro usando mayúsculas y minúsculas. El resultado:

Sinteticé este código y obtuve los resultados exactos. Incluso el esquema RTL era exactamente el mismo para ambos programas.

Y su conclusión:

Esto muestra que las declaraciones 'case' y 'if ... elsif ... else' son igualmente eficientes. Pero si desea escribir un código claro, entonces es mejor usar 'case'. 'Case' es muy útil cuando el la salida depende de una gran cantidad de condiciones. Pero si la cantidad de condiciones es muy pequeña (2 o 3), puede usar 'if..elseif..else'.

También hay docenas de publicaciones sobre este tema en Stack Overflow para cada idioma concebible. La conclusión es generalmente la misma, que no hay diferencia en cuanto al rendimiento. Ocasionalmente, si hay una gran cantidad de casos, un compilador puede ser lo suficientemente inteligente como para crear una tabla de búsqueda que arroje un rendimiento ligeramente mejor.

Un sintetizador VHDL puede hacer algo similar. Pero aún necesitaría una gran cantidad de casos, en cuyo caso (juego de palabras) probablemente quiera usar una declaración de caso de todos modos, ya que proporciona una mejor legibilidad cuando hay una gran cantidad de opciones.

— Embedded.kyle
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