digitaalsüsteemide automaatprojekteerimine

1I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L17© Peeter Ellervee

Digitaalsüsteemide Digitaalsüsteemide automaatprojekteerimineautomaatprojekteerimine

J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12

L17. Digitaalsüsteemide automaat-L17. Digitaalsüsteemide automaatprojekteerimine, sünteesi etapid. projekteerimine, sünteesi etapid. L18. VHDL ja süntees. Süsteemitasemesüntees. L19. Füüsikalise taseme projekteerimine. Keerukate süsteemide iseärasused.


Digitaalsüsteemi loomineDigitaalsüsteemi loomine

Tootlikkuse puudujääk (productivity gap) tehnoloogia võimaluste kasv – 58% aastas projekteerija jõudluse kasv – 21% aastas Kuidas sellega hakkama saada?

Vaadelda süsteemi kui tervikut ülesande püstitamine riist- ja tarkvara koosdisain

Olemasolevate lahenduste kasutamine olemasolevad algoritmid (tarkvara teegid) olemasolevad moodulid (riistvara “teegid”)

IP-plokid [ IP = Intellectual Property ]

Projekteerimine on jagatud sammudeks


AbstraktsioonitasemedAbstraktsioonitasemed

Süsteemi tase moodulid & infokanalid

Algoritmi tase alam-moodulid & protokollid

Register-siirete (RT) tase ALS-d, registrid & siinid

Loogikatase skeem loogikaelementidest

Füüsikatase skeem transistoridest kristalli pinnalaotus


Sünteesi tasemedSünteesi tasemed

Käitumuslik mõõde

Füüsikaline mõõde

algoritm

süsteemi spetsifikatsioon

register-siirete kirjeldus

loogika-avaldised

diferentsiaalvõrrandid

Struktuurne mõõde

CPU, mälu

protsessor, alamsüsteem

ALU, register, MUX

loogikalüli, triger

transistor

ristkülik / polügon

std.element / alam-element

makro-element

plokk / kiip

kiip / trükkplaat

Skeemi tase

Süsteemi tase

Algoritmi tase

Register-siirete tase

Loogika tase

süntees

analüüstäpsustamine

optimeerimine

genereerimine

ekstraheerimine

abstraheerimine


Sünteesi tasemedSünteesi tasemed

Tase Abstraktsioon Vahendid

Süsteem Käitumine ruumis ja ajas,väljaviigud, ajalised piirangud

Plokk-skeemid, diagrammid,kõrgtaseme keeled

Arhitektuur Funktsionaalsete üksusteüldine jaotus

HDL-d, pinnaplaneeringuvahendid ennustamiseks

Registersiire Andmevoo sidumine sõlmedeja mikrokäskudega

Süntees, simuleerimine,resursside kasutamine

Funktsionaalsedmoodulid

Primitiivsed operatsioonid jajuhtimisvahendid

Teegid, moodulitegeneraatorid, skeemisisestus

Loogika Loogikafunktsioonid, skeemidloogikaelementidest

Skeemisisestus, süntees jasimuleerimine, test

Lülitus Transistorskeemideelektrilised omadused

RC ekstraheerimine, ajastusekontroll ja analüüs

Pinnalaotus Geomeetrilised parameetrid Pinnalaotuse redaktor, DRC,laotus ja trasseerimine


Sünteesi-süsteemidSünteesi-süsteemid

Süsteemi süntees Liideste süntees Kõrgtaseme süntees Formaalne süntees Registersiirete taseme süntees Loogika süntees Testi süntees Füüsikaline süntees


Sünteesi võludSünteesi võlud

Automatiseerimine võimaldab vähendada projekteerimiskulusid kiirendada projekteerimist uusimate tehnoloogiate kasutamist

formaliseeritus rohkem võimalikke lahendusvariante vähem vigu projekteerimisel


Otsustused sünteesilOtsustused sünteesil

Loogikatase tuhanded sõlmed mõni realiseerimisviis

Register-siirete tase sajad sõlmed kümned realiseerimisviisid

Käitumuslik ja süsteemi tase kümned sõlmed sajad realiseerimisviisid


Sünteesi valudSünteesi valud

Loogikatase teisendus mõjutab ainult lähinaabreid lihtsad teisendusalgoritmid on ka efektiivsed

Register-siirete tase teisenduse mõjutab suurem

Käitumuslik ja süsteemi tase teisendus mõjutab praktiliselt kogu süsteemi puuduvad universaalsed (ja efektiivsed)

teisendus-algoritmid


““Ränikompileerimine”Ränikompileerimine”

Kõrgtaseme süntees sisendiks riistvara kirjelduskeel väljundiks operatsioonide järjestus

(mikro)programm

Tarkvara süntees (kompileerimine) sisendiks kõrgtaseme keel väljundiks operatsioonide järjestus

(assembler) programm

väljundiks mooduli arhitektuurväljundiks mooduli arhitektuur


Disaini / sünteesi etapidDisaini / sünteesi etapid

Ideest realisatsioonini / töötava mudeliniIdeest realisatsioonini / töötava mudelini

Simuleeritava spetsifikatsioon loomine idee korrektsuse kontroll

Spetsifikatsiooni tükeldamine hallatavus ja korduvkasutatavus

Algoritmide täpsustamine arhitektuursete lahenduste valimine

Spetsifikatsiooni teisendamine skeemiks süntees kitsamas tähenduses

Realiseerimine / Prototüüpimine


Süntees ~~ TükeldamineSüntees ~~ Tükeldamine

Digitaalsüsteem = juhtosa + andmeosa + liides + mälusüsteem

control

PE C M

control

PE C M

control

PE C M

control

PE C M

control

PE C M


EsitusviisidEsitusviisid

Algoritmid programmeerimiskeeled

funktsionaalne tükeldamine algoritmi ja andmete täpsustamine

riistvara kirjelduskeeled struktuursed, käitumuslikud ja

sünteesitavad keeled

plokk-diagrammid … ja nende sarnased StateChart, Behavioral FSM, jne.


Abstraktsed mudelidAbstraktsed mudelid

Struktuurid naabrusmaatriks ahelaloend (netlist) lihtne esitada

hierarhiat

Loogikavõrkgraafid struktuur + käitumine kombinatoorne sünkroonne

m1

m2

m3

p1

p6p4

n3

n2

n1

p7p5

p3p2

1 1 11 1 00 1 1

m1

m2

m3

n1

n2

n3

m1

m3m2

abc

p

q

xy

a

b

c

p=ac

q=p+c

x

y



Automaadid

Andmevoograafid otsene sõltuvus

operatsioonide (ülesannete) vahel

kontrollsõltuvused?

x1=a+b;x2=x1*c;x3=d+e;x4=x3*f;x=x2+x4;

+

a

+

+

* *

b

c

d e

f

x



DFG - Data-Flow Graph CFG - Control-Flow Graph CDFG - Control-and-Data-Flow Graph

Hierarhia Kontrollsõltuvused

call / return hargnemised tsüklid

+

+

*

*

br

*

nop

nop

nop

nop

nop

nop

nop


NäiteülesanneNäiteülesanne

Valgusfoori kontroller vt. ka http://mini.pld.ttu.ee/~lrv/tlc_xsa/

sidestreet_car

highway_car

highway_light

sidestreet_light

http://mini.pld.ttu.ee/~lrv/

http://mini.li.ttu.ee/~lrv/tlc_xsa/

http://mini.li.ttu.ee/~lrv/tlc_new/


VahendidVahendid

Xilinx ISE (Xilinx, Inc., www.xilinx.com) simulaator + süntesaator

XSA-3S1000 (XESS Corp., www.xess.com)

http://www.xilinx.com/

http://www.xess.com/


VHDL-st skeeminiVHDL-st skeemini

Ideest mudelini modelleeritav spetsifikatsioon

käitumuslik VHDL

Mudelist struktuurini struktuur register-siirete tasemel

sünteesitav VHDL

Struktuurist skeemini loogikaelemendid + ühendused

sünteesi juhtimine

Iteratsioonid!


Valgusfoori kontrollerValgusfoori kontroller

Kiirtee ja kõrvaltee auto sensorid – highway_car & sidestreet_car valusfoorid – highway_light & sidestreet_light

Tulede kombinatsioonid & lülitumiste järjekorrad kiirtee kõrvaltee kestus1 roheline punane piiramata2 vilkuv roheline punane 3 sek.3 kollane kollane 2 sek.4 punane roheline maksimaalselt 10 sek.5 punane vilkuv roheline 3 sek.6 kollane kollane 2 sek.

Ooteajad: autole kõrvalteel – mitte üle 30 sekundi, kui kiirteel on autosid roheline kõrvalteele – 10 sekundit (pluss 3” vilkuvat rohelist)


Ideest mudeliniIdeest mudelini

Modelleeritav spetsifikatsioon käitumuslik VHDL

Liidese ja andmetüüpide deklareerimine abstraktsed andmetüübid

Käitumusliku spetsifikatsiooni loomine kontrollvoog & keerukad ajakontrolli käsud

Testkeskkonna loomine, simuleerimine lihtne testimine – kiire, kuid ebapiisav... põhjalik testimine – keerukas ja aeglane...



Andmetüübid (pkg-enum.vhd) package TLC_data_types is -- Sensors type Sensor is (NoCar, Car); -- Lights type Light is (Red, Yellow, Green, GreenBlink);end TLC_data_types;

Olem (tlc-entity.vhd) use work.TLC_data_types.all;entity TLC is port ( highway_car : in Sensor; sidestreet_car : in Sensor; highway_light : out Light := Red; sidestreet_light : out Light := Red );end TLC;



Kontrollvoog & ajakontrolli käsud -- ... -- Waiting for no more than 25 seconds ... if highway_car = Car then wait until highway_car = NoCar for 25 sec; end if; -- ...

vt. tlc-bhv.vhd Testimine

kiire – vali olem ja forsseeri signaalid [signals] sidestreet_car -> Edit -> Force…

raske kontrollida kriitilisi olukordi



Testimine põhjalikum – testkeskkond fikseeritud

autode saabumisjadaga (vt. tlc-qtst.vhd) universaalne – testkeskkond muudetava

autode liikumisjadaga (vt. tlc-tst.vhd) Failid

pkg-enum.vhd (1) – pakett “TLC_data_types” cfg-[q]bhv.vhd (5) – konfiguratsioon tlc-[q]tst.vhd (4) – testkeskkond tlc-entity.vhd (2) – olem “TLC” tlc-bhv.vhd (3) – arhitektuur “BEHAVIOR”


Simuleerimine (Modelsim)Simuleerimine (Modelsim)

Andmed – loendustüüp


Mudelist struktuuriniMudelist struktuurini

Struktuur register-siirete tasemel sünteesitav VHDL

(1) Riistvaralised andmetüübid loendusandmetüübid –> bititüübid

(2) Käitumise täpsustamine #1 vilkuv roheline

(3) Käitumise täpsustamine #2 taimer (2 Hz) ja loogika vilgutamiseks ajakontrollikäsud –> sünk.käsud+taimer

(4) Sünteesitav VHDL (& struktuur)


Riistvaralised andmetüübidRiistvaralised andmetüübid

Andmetüübid (pkg-bitv.vhd) package TLC_data_types is -- Sensors subtype Sensor is bit; constant NoCar : Sensor := '0'; constant Car : Sensor := '1'; -- Lights -- "red" - bit 0, i.e., the uppermost light -- "yellow" - bit 1, i.e., the middle light -- "green" - bit 2, i.e., the lowermost light subtype Light is BIT_VECTOR (0 to 2); constant Red : Light := "100"; constant Yellow : Light := "010"; constant Green : Light := "001"; constant GreenBlink : Light := "000";end TLC_data_types;


Riistvaralised andmetüübidRiistvaralised andmetüübid

Testimine identne esialgsega

Failid pkg-bitv.vhd (1) – pakett “TLC_data_types” cfg-[q]bhv.vhd (5) – konfiguratsioonid tlc-[q]tst.vhd (4) – testkeskkonnad tlc-entity.vhd (2) – olem “TLC” tlc-bhv.vhd (3) – arhitektuur “BEHAVIOR”

Kõik uuesti kompileerida!



Andmed – bitbit ja bit_vectorbit_vector


Käitumise täpsustamine #1Käitumise täpsustamine #1

Rohelise tule vilkumine täpsustatudhighway_light<=GreenBlink; wait for 3 sec;

on asendatud tsükligafor i in 1 to 6 loop

highway_light <= GreenBlink; wait for 0.25 sec;

highway_light <= Green; wait for 0.25 sec;

end loop;

Uued failid cfg-bhv2.vhd – konfiguratsioon (pikk test) tlc-bhv2.vhd – arhitektuur “bhv_refined”



Täpsustatud rohelise tule vilkumine



Esmane tükeldamine neljaks alamosaks: (1) Taimeri taktsignaal sagedusega 2 Hz (määratud

rohelise tule vilkumissagedusega), kasutatav ka süsteemse taktina

(2) ja (3) Sama-aegne protseduur vilkuvat roheliset tekitava kombinatoorse loogika jaoks

(4) Kontrollvoog, kuhu on sisse toodud taktsignaal (timer) ja ajakontrolli käsud on asendatud sünkroniseerimiskäskude ja loenduri kombinatsiooniga

Protseduur “WaitFor” asendamaks “wait for…” käske



Teisendusi-- Waiting for no more than 25 seconds ...

if highway_car = Car then

wait until highway_car = NoCar for 25 sec;

end if;

on asendatud-- Waiting for no more than 25 seconds ...

if highway_car = Car then

for counter in 0 to 49 loop -- 25 seconds

exit when highway_car = NoCar;

wait on timer until timer='1';

end loop;

end if;



Uued failid cfg-bhv-rtl.vhd – konfiguratsioon (pikk test) tlc-bhv-rtl.vhd – arhitektuur “bhv_rtl”

Simuleerimine on oluliselt aeglasem

Aeg vaja paikka panna – run 400 sec Kontrollvoole vastav protsess on põhimõtteliselt

sünteesitav kõrgtasemesüntesaatori poolt Vajalikud võivad olla konkreetse

sünteesivahendi iseärasustest tingitud muudatused



Esmane struktuur + taktsignaalid


Sünteesitav VHDLSünteesitav VHDL

Registersiirete tasemele vastav kirjeldus Sünteesitav enamike sünteesivahendite poolt

(võib vajada pisitäpsustusi) nt. teisendus “integer range 0 to 63” ->

“unsigned(5 downto 0)” (IEEE 1164)

Struktuur esialgse tükeldamise täpsustus

Täiendavad signaalid (nt. reset) Kontrollvoog on asendatud automaadi ja

loenduriga



Komponendid (1) Arhitektuur “RTL”, mis seob komponendid (fail

“tlc-rtl.vhd”). Sünteesitav (RTL mõistes). (2) Taktgeneraator (olem “clock(bhv)” failis

“tlc-rtl.vhd”). Genereerib taimeri 2 Hz signaali, süsteemse taktsignaali (100 Hz) ja algnullimis- signaali.

(3) Vilkuvat rohelist tekitav kombinatoorne loogika (olem “BlinkLights(bhv)” failis “tlc-rtl-blnk.vhd”). Sünteesitav.

(4) Kontroller automaadi ja loendurina (olem “Controller(RTL)” failis “tlc-rtl-ctrl.vhd”). Sünteesitav.



statehighway_light_sgnsidestreet_light_sgn

f-nreg

cnt

highway_light_newsidestreet_light_newnext_state

reset_counter

highway_carsidestreet_carreset

counter_out

highway_lightsidestreet_light

clk

timer

Controller(RTL)

Controller

BlinkLights

BlinkLights

Clock

TLC

highway

sidestreet



VHDL konstruktsioone automaadi olek-- FSM state

type state_type is (highway_green,

highway_wait_25sec, highway_wait_25sec_loop, ...

sidestreet_yellow, sidestreet_yellow_loop);

signal state, next_state: state_type;

abisignaalid register->komb.loogika: “highway_light_sgn” komb.loogika-> register: “highway_light_new”

taimeri väärtus & nullimine



VHDL konstruktsioonenext_state <= state;-- ...case state is-- ...-- Waiting for no more than 25 seconds ...when highway_wait_25sec => if highway_car=NoCar then next_state <= highway_blink; end if; reset_counter <= '1'; next_state <= highway_wait_25sec_loop;when highway_wait_25sec_loop => if highway_car=NoCar or counter_out >= 50 then next_state <= highway_blink; end if;-- ...



Uued failid cfg-[q]rtl.vhd – konfiguratsioonid tlc-rtl.vhd – arhitektuur “RTL” tlc-rtl-blnk.vhd – vilkuv roheline [BinkLights(bhv)] tlc-rtl-ctrl.vhd – kontroller+taimer [Controller(RTL)]

Simuleerimine on oluliselt aeglasem Aeg vaja paikka panna

run 50 sec [konfiguratsioon “tlc-qrtl”] run 400 sec [konfiguratsioon “tlc-rtl”]



Sünteesitav VHDL + kiire testpink


Süntees & prototüüpimineSüntees & prototüüpimine

Taktsignaal & taimer XSA plaadi taktigeneraator - 10 MHz 2 Hz genereerimine taktsignaalist

22-bitine loendur --> 4*220 --> 2,38 Hz

architecture behave of timer is signal count: std_logic_vector (21 downto 0);begin process begin wait on clk until clk='1'; count <= count + '1'; end process; blink <= To_Bit ( count (count'high) );end behave;


Süntees & prototüüpimineSüntees & prototüüpimine

Väljaviikude määramine XSA plaadi piirangud

Uued failid tlc-rtl-fpga.vhd – arhitektuur “RTL_fpga” tlc-rtl-timer.vhd – 2 Hz taimer [Timer(behave)]

Etapid süntees (RTL kirjeldus --> CLB) paigaldus & trasseerimine FPGA konfiguratsiooni genereerimine

45 moodulit 768-st (5%) & 112 Mhz


WebPACK / ISEWebPACK / ISE


FPGA sisuFPGA sisu


FPGA detailsem sisuFPGA detailsem sisu


Hilisemad muudatusedHilisemad muudatused

Täiustatud taimer 10 MHz / 5000000 ja 0,5-ne täitetegur

(fail "tlc-rtl-timer2.vhd") Muudetud pakett "TLC_data_types“

kollase ja rohelise tule korraga põlemine (fail "pkg-bitv2.vhd")

Muudetud kontroller 2 sek. vilkuv roheline, 3 sek. põlev kollane ja

kollane põleb koos punasega enne rohelist (fail "tlc-rtl-ctrl2.vhd")

digitaalsüsteemide automaatprojekteerimine

Documents