VHDL: sumador completo de 1 bit

Traigo un code-kata de un circuito digital. Se trata de un sumador completo de 1 bit. Es decir, es un circuito con 3 entradas y 2 salidas. Las tres entradas son: un acarreo, y los dos bits que vamos a sumar.

El funcionamiento es muy sencillo, corresponde a ésta tabla:

Acarreo de entrada	A	B	Acarreo de salida	Suma
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

Podríamos no simplificar el código VHDL, directamente escribiendo todos los casos en que las salidas dan 1. Es el código siguiente, después el simplificado.

Al grano, el código fuente del sumador

Una posible definición sin simplificar las funciones, a modo de aprendizaje, podría ser:

-- Sumador completo de 1 bit
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

entity oneBitFullAdder is
    port (
        sum, carryOut : out std_logic;
        a, b, carryIn : in std_logic
    );
end entity;

architecture arch of oneBitFullAdder is

    signal auxInVect : std_logic_vector (2 downto 0);

begin

    auxInVect(2) <= carryIn;
    auxInVect(1) <= a;
    auxInVect(0) <= b;

    sum <= '0' when auxInVect = "000" else
        '1' when auxInVect = "001" else
        '1' when auxInVect = "010" else
        '0' when auxInVect = "011" else
        '1' when auxInVect = "100" else
        '0' when auxInVect = "101" else
        '0' when auxInVect = "110" else
        '1';

    carryOut <= '0' when auxInVect = "000" else
        '0' when auxInVect = "001" else
        '0' when auxInVect = "010" else
        '1' when auxInVect = "011" else
        '0' when auxInVect = "100" else
        '1' when auxInVect = "101" else
        '1' when auxInVect = "110" else
        '1';

end architecture;

El código fuente simplificado

Utilizando mapas de Karnaugh podemos llegar a la siguiente simplificación:

-- Sumador completo de 1 bit
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

entity oneBitFullAdder is
    port (
        sum, carryOut : out std_logic;
        a, b, carryIn : in std_logic
    );
end entity;

architecture arch of oneBitFullAdder is
begin

    sum <= ((not carryIn) and (not a) and b)
        or ((not carryIn) and a and (not b))
        or (carryIn and (not a) and (not b))
        or (carryIn and a and b);

    carryOut <= (carryIn and b) or (a and b) or (carryIn and a);

end architecture;

El resultado es el mismo, pero el circuito que define es más simple.

El banco de pruebas

Simplemente es una entidad vacía, que hace port map de las entradas y salidas para generar señales de entrada y poder ver las de salida a ver si el funcionamiento es correcto:

-- Sumador completo de 1 bit
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

entity oneBitFullAdder_tb is
end entity;

architecture arch of oneBitFullAdder_tb is

    component oneBitFullAdder is
        port (
            sum, carryOut : out std_logic;
            a, b, carryIn : in std_logic
        );
    end component;

    signal testInVect : std_logic_vector (2 downto 0);
    signal testSumOut, testCarryOut : std_logic;

begin

    unit_under_test: oneBitFullAdder port map (
        sum => testSumOut,
        carryOut => testCarryOut,
        carryIn => testInVect(2),
        a => testInVect(1),
        b => testInVect(0)
    );

    generate_signals : process
    begin
        testInVect <= "000"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "001"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "010"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "011"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "100"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "101"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "110"; wait for 10 ns;
        testInVect <= "111"; wait for 10 ns;
        wait;
    end process;

end architecture;

Si todo va bien, al simular el banco de pruebas debemos de ver señales como las de la imagen del principio.