Os limites entre os domínios do software e do hardware são cada vez mais ténues, pelo que técnicas inicialmente experimentadas no software têm vindo a ser gradualmente aplicadas no hardware. Este artigo pretende descrever o estado actual da utilização da tecnologia de programação orientada por objectos no projecto de hardware digital.
São analisadas as vantagens e implicações quando se introduzem conceitos ligados à tecnologia orientada por
objectos em projectos de hardware e é apresentado um exemplo utilizando uma das extensões orientadas por objectos da linguagem VHDL.The boundaries between the software and hardware
domains are no longer fixed, which enables the use, on
the hardware domain, of techniques originally applied on
software projects. This article aims to describe the stateof-the-art
in the application of object-oriented
programming techniques to digital hardware design.
The advantages and implications of object-oriented
technology concepts applied to hardware design are
analyzed and an example with an object-oriented VHDL
language extension is presented

Fernandes, João M.

Machado, Ricardo J.

Universidade do Minho: RepositoriUM

PROJECTO DE HARDWARE DIGITAL ORIENTADOPOR OBJECTOSJodo Miguel Fernandes e Ricardo Jorge MachadoSumdrioOs limites entre os dotninios do software e do hardwaresdo cada vez mais tdnues, pelo que tdcnicas iniciahnenteuperimentadas no software ftm vindo a ser gradual-mente aplicadas no hardware. Este artigo pretende des-crever o estado actual da utilizagdo da tecnologia de pro-gramagdo orientada por objectos no projecto dehardware digital.Sdo analisadas as vantagens e implicagdes quando seintroduzem conceitos ligados d tecnologia orientada porobjectos em projectos de hardware e i apresentado umexemplo utilizando uma das extensdes orientadas porobjectos da linguagem YHDL.1. IntrodugioA transfer6ncia de t6cnicas entre os dominios dosoftware e do hardware tem-se tornado comum,diluindo, ainda mais, as fronteiras entre os doisdominios. A comprov6-lo estri o facto de o co-pro-jecto de hardware/software (co-design na nomen-clatura inglesa) se ter tornado numa das disciplinasque mais interesse tem despertado em diversasequipas de investigageo [1].No soffiuare, 6 agora comum o uso de conceitostradicionalmente pensados no hardware, como, porexemplo, m6dulo, componente e circuito integrado.O crescente uso de linguagens de programagdo paraa descrigio de hardware (IIDL - Hardware Des-cription Language), nomeadamente o VHDL comoutrr standard IEEE [2], tornou as fungdes de umengenheiro de hardware bastante semelhantes is deum engenheiro de sofl-vvare. Neste sentido, a intro-dugSo de tecnologias orientadas por objectos nodominio do hardware tem sido ultimamente experi-mentada com resultados positivos.A primeira vista, pode parecer forgado utilizar t6c-nicas orientadas por objectos (OO) em projectos dehardware. Contudo, a pnitica tem mostrado que oparadigma orientado por objectos 6 aceite com rela-tiva naturalidade pelos engenheiros de hardware,jique estes se habituaram a lidar com objectos (pla-cas; componentes, m6dulos, c6lulas) que comuni-camporsinais [3].As abordagens orientadas por objectos no desen-volvimento de sofarare conheceram grande aceita-96o por permitirem gerir com relativa facilidade acomplexidade dos sistemas e por aumentarem signi-ficativamente a reutilizagdo [4].AlitrauThe boundaries betlveen the software and hardwaredotnains are no longer Jixed, which enables the use,on the hardware domain, of techniques origiially appliedon software projects. This article aims to describe thestate-of-the-art in the application of objecrorientedprogramming techniques to digital hardware design.The advantages and implications of object-orientedtechnologt concepts applied to hardware design areanalyzed and an example with an object-oriented YHDLlanguage extension is presented.Estes dois conceitos, assim como a possibilidade dedescrigdo a um nivel mais elevado de abstracgio,uma maior legibilidade e uma manutengSo facilitadados projectos, s6o os principais respons6veis pelasextensdes que tem sido sugeridru para adicionarconceitos orientados por objectos i linguagemVHDL Is-l01.Neste artigo, sio descritos os conceitos orientadospor objectos na perspectiva da sua aplicagdo emprojectos de hardware digital e 6 apresentado umexemplo da aplicagdo destes conceitos utilizandouma extens6o do VHDL.Na escrita deste artigo assumiu-se que o leitordomina os fundamentos dos sistemas digitais e quepossui conhecimentos brisicos de VHDL e de pro-gramagao orientada por objectos.2. Conceitos OO Aplicados ao HardwareA aplicagio da modelagio orientada por objectos aodominio do hardware exige a re-interpretagSo deconceitos originalmente desenvolvidos para aplicarao dominio do software. Os conceitos que s6onecess6rios re-analisar s6o os seguintes:. Abstracgdo de Dados;. Hierarquia e Heranga;. Mensagens e Polimorfismo;. Encapsulamento e Modularidade.2.1 Abstracgdo de DadosA abstracAdo de dados significa que as estruturas dedados s6o definidas em conjunto com as operagoesque as utilizam. Ao conjunto definido pelas estru-turas de dados e pelas operag6es dii-se o nome deANAIS, N.e 5- 1997 COMPUTADORES E SISTEMAS INFORMATICOSclasse. Em terminologia orientada por objectos, isestruturas de dados e is operagdes que constituemuma classe chama-se, respectivamente, varidveis deinstdncia e mitodos.l)m objecto 6 uma instdnciade uma classe, cont6m espago pr6prio para as suasvari6veis de inst6ncia e o acesso a estas 6 unica-mente possivel usando os m6todos definidos para arespectiva classe. Todos os objectos de uma classessam os mesmos m6todos que' na implementagio,s6o gerados uma s6 vez.Aabstrac96o de dados 6 muito natural emhardware'Por exemplo, o conterido de um contador 6 apenasacessivel atrav6s de operagdes conhecidas (fig. 1).Um acesso directo ao contefdo do contador n6o 6usualmente permitido.Fig. l: Classe "Counter"'2.2 Hierarqlia e HerangaA criagio de variantes de classes sem utilizar t6c-nicas orientadas por objectos pode ser conseguidapor "c6pia e modifica96o". Daqui resultamintmeras vers6es que diferem ligeiramente' con-t6m redundincia e cuja manutengio se tornaprogressivamente dificultada. A coer0ncia entreclaraet pode ser mantida, mas o "prego" a pagar 6muito alto: as modificag6es t6m de realizar-se emmuitas partes.Com uma hierarquia de classes e um mecanismode heranga garante-se uma maior reutilizagSo dasclasses, devido a uma gestSo mais facilitada.A heranga 6 definida como o mecanismo de cons-truir novas classes a partir de uma outra classe(superclasse). Uma subclasse herda as variiiveis deinstincia e os m6todos da sua superclasse. As sub-classes podem adicionar novas esfuturas de dadose novos m6todos iqueles j6 existentes nas su-. perclasses, bem como redefinir mdtodos destas'A heranqa entre classes permite a especializagio decomponentes. Por exemplo, uma possivel especia-lizagtro AddCounter da classe Counter da fig' Ipode obter-se acrescentando um novo m6todoAddValue.O uso de heranga mriltipla (uma subclasse ter maisdo que uma superclasse) mostra-se igualmente ritilem determinadas situag6es. Considere-se, por exem-plo, duas clas ses LeftShiftRegister e RightShftReguter,que sendo usadas como superclasses permitiriarnobter uma classe BidirectionalShiftRegister qu'esuporta ambos os deslocamentos, sem a necessidadede escrever nenhum m6todo novo.2.3 Mensagens e PolimorfismoPor vezes, numa subclasse, 6 necessririo redefinir ocomportamento de um mdtodo definido numasuperclasse. O processo de redefinir o comporta-mento de um m6todo herdado chama-se reescrita dem6todos. Desta forma, o m6todo reescrito tem omesmo nome do herdado, mas comporta-se dife-rentemente conforme o objecto em causa. Estemecanismo de sobreposigdo implementa uni com-portamento p olimd r/ic o.Por "*..plo, em alternativa i definigEo dom6todo AddYalue na subclasse AddCounter,poder-se-ia reescrever o m6todo Increment, demodo a incluir um argumento de entrada que indi-casse a quantidade a adicionar ao contetdo docontador-A forma dos objectos comunicarem entre si, repre-sentando no mundo do hardware os sinais e os pro-tocolos entre componentes, consiste no envio demensagens que efectuam a invocagdo de m6todosaos objectos receptores. Uma mensagem indica ape-nas a operagdo a executar, deixando a responsabili-dade de como o fazer para o objecto receptor damensagem.2.4 Encapsulamento e ModularidadeNo dominio do hardware, o encapsulamento e amodularidade proporcionam os mesmos bene-ficios no desenvolvimento e manutenqEo de m6-dulos que aqueles que se obt€m em aplicag6es desoftware.O encapsulamento pefinite o uso de funcionalidadessem existir a necessidade de conhecer os por-menores das suas implementagdes, pelo que alte-raqdes nestas n6o implicam modificag6es na inter-face.O conceito de modularidade tem uma enorrneimportincia na implementagio de HDLs, uma vezque os componentes de hardware constif,rem asunidades de modularidade, ou seja, a modularidade6 intrinseca ao Pr6Prio hardware.3. Exemplo: Extensflo OO Para YIIDLA linguagem VHDL pode ser classificada comouma linguagem baseada, e n6o orientada, emobjectos, o que significa que suporta a funcio-nalidade dos objectos, mas n6o a sua gest6o' Umalinguagem diz-se orientada por objectos se suportaa funcionalidade dos objectos, a gestdo de objectospor classes e a gest6o de classes por hierar-quia [10].CounterCOMPUTADORES E SISTEMAS INFORMATICOS ANAIS,N.S5-1997i\-/Em VHDL, o par Entidade/Arquitectura pode serusado para implementar uma classe: a entidadedefine a interface da classe e a arquitectura descreveuma possivel implementagdo para a classe. Ossinais VHDL podem us€r-se paxa a comunicagSoentre entidades.Uma das v6rias extens6es pata o VHDL,OO-VHDL [9], que adiciona mecanismos orien-tados por objectos ao VHDL, oferece umaunidade adicional de modularidade o parEntidadeObjecto/Arquitectura, que descreve osobjectos e o seu comportamento' A definigdo deuma EntidadeObjecto permite a utilizagEo dosmecanismo de heranga recorrendo a hierarquiasde EntidadesObjecto.Em OO-VHDL, a descrigSo da classe Counter(fig. l) 6 efectuada atravds da declaragdo daseguinte EntidadeObj ecto :Entityobject Counter is-- Parte da Entidadegeneric (maxValue: integer);port (clock: in bit);-- Parte do Objectooperation Increment;operation ReadValue(OutVal: out integer);operation WriteValue(InVal: in integer);end Counter;Architecture OOCounter of Counter isinstance variable Value:integer;operation Increment isbeginif (Value>= maxValue) thenValue:=0;elseValue;=\'rzlus*1;end if;end;operation ReadValue(OutVal: out integer) isbeginOutVal:=Value;end;operation WriteValue(InVal: in integer) isbeginValue:=InVal;end;begin-- corpo nuloend O0Counter;As vari6veis e os mdtodos definidos na classeCounter siio herdados pela classe AddCounter.Daqui resultam evidentes vantagens: reutilizagio desoftvvare, partilha de c6digo, comportamentos uni-formes e prototipagem nipida facilitada. Adefinigioda classe AddCounter 6 feita como a seguir semostra:EntityObject AddCounter is new Counter-- "is new" declara uma subclasse de Counter-- Parte da Entidade herdade de Counter- -- Parte do Objecto,'bperation Add (InVal: in integer);enh AddCounter;Architecture OOAddCounter of AddCounter isoperation Add(InVal: in integer) isbeginValue:=Value+[nVal;if (Value>= maxValue) thenValue:=Value-maxValue;end if;end;end OOAddCounter;O c6digo OO-VHDL pode ser traduzido em VHDLusando um pr6-processador, o que permite a utiliza-96o de qualquer ferramenta CAD, para simulagdoou sintese de hardware, que aceite VHDL como for-mato de entrada.Da mesma forma, existem outras ferramentas quepermitem modelar hardware com objectos, gerandoVHDL mas baseadas noutros formatos de especifi-cagio, que n6o extensdes d linguagem VHDL. Porexemplo, a ferramenta SOFHIA [1] baseia-se emRdP-shobi (um tipo de Redes de Petri Orientadaspor Objectos) t121.4. ConclusdesOs exemplos apresentados neste artigo ilustram areutilizagEo de c6digo e a facilidade com quenovos e mais especializados componentes podemser criados, com reflexos importantes nadiminuigSo do tempo necess6rio para modelar osistema. Desta forma, a introdugEo do paradigmade modelagSo orientado por objectos em projectosde hardware digital apresenta muitas. vanta-gens, nomeadamente no suporte a um alto nivel dereutilizagdo atrav6s da manutengdo e da modi-ficagdo de modelos, na facilidade de instanciagiiode componentes com diferentes parimetros e napossibilidade de recorrer a t6cnicas de sofnuarepara verificagSo e sintese dos modelos. Por6m,o recurso a esta nova abordagem deve ser bemequacionado e n6o visto como uma panaceia paraproblemas em qualquer brea de aplicagio. Porexemplo, a criagio e remogdo dinimica deobjectos, tdo ritil em projectos de software, terri deser usada com cuidado em projectos de hardware,apesar de jd ser possivel vislumbrar algumas uti-ANAIS, N.e 5:1992 coMpurADoREs E srsrEMls nronuArrcoslizagdes em projectos que incluam novas familiasde FPGAs e CPLDs.Esta abordagem, conjuntamente com as novasextens6es de VHDL, ir6 contribuir paxa um maiordesenvolvimento da classe de problemas abordadapelo co-proj ecto hardware/software.5. Refer€ncias[] De Micheli, G. Computer-Aided Hardware//Software Co-Design. IEEE Micro Magazine,Agosto 1994.[2] IEEE. IEEE Standard I/HDL LanguageReference Manual. New York, USA, 1994.[3] Kumar, S., J.H. Aylor, B.W. Johnson, Wm.A.Wv,lf . Obj ect- Oriented Techniques in HardwareDesign. IEEE Compute4 pp.64-7 0, Junho I 994.[4] Budd, T. An Introduction to Object-OrientedProgramming. Addison-Wesley PublishingCompany, 1991.Glunz, W. 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In XIII IFIPConference on Computer HardwareDescription Languages and Their Applications- CHDL'97, Toledo, Espanha, Chapman &Hall, Abril 1997.[2] Machado R.J., J.M. Fernandes, A.J. Proenga.SpeciJication of Industrial Digital Controllerswith Object-Oriented Petri Nets. In IEEEInternational Symposium on IndustrialElectronics - ISIE'97, Guimardes, Porhrgal,Julho 1997.lslt6lU)IJodo Miguel Lobo Fernandes 6 Licenciado em Engenharia deSistemas e Informdtica (1991) e Mqstre em Informatica (1994)pela U. Minho. Foi Investigador da U. Bristol-UK. Estd apreparar o Doutoramento em Engenharia de Computadores noDep. de Informdtica da U. Minho, onde d Assistente. Desenvolveinvestigagdo na drea dos Sistemas Digitais, onde tem vdrias pu-blicagdes em congressos e revistas internacionais.Ricardo Jorge Silvtrio de Magalhdes Machado 6 Licenciado emEngenharia Electrotdcnica e de Computadores (1994) pela FEUPe Mestre em Informatica (1996) pela U. Minho. Foi Investigadordo INESC-Porto e da ENSEA-Paris. Como Engenheiro da TexasInstruments, registou, nos EUA, a patente dum sistema elec-tronico. Investiga na drea do co-projecto hw/sw e estd a prepararo Doutoramento em Engenharia de Computadores no Dep. deInformdtica da U. Minho, onde 6 Assistente.coMpurADoREs E sIsrEMAs rNFoRMArIcos ANAIS,N.S5-1997

Projecto de hardware digital orientado por objectos

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