Projecto de Sistemas Digitais - paginas.fe.up.ptaja/PSD2006_07/slides/SlidesPSD_200607_1... · – modelos estruturais (esquemáticos) • detalham a estrutura do circuito, interligando

FEUP/DEEC : EEC0055 / Projecto de Sistemas Digitais, 2006/2007José Carlos Alves

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Projecto de Sistemas Digitais(EEC0055)

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoDepartamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores

5º ano, 1º semestre

José Carlos AlvesAntónio José Araújo

http://www.fe.up.pt/~aja/PSD2006_07


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Projecto de Sistemas Digitais• Tecnologias digitais cada vez mais importantes

– vastas áreas de aplicação– evolução tecnológica exponencial (lei de Moore)

• tamanho, consumo, rapidez– custo continua a descer (um PC custa 1000€!)

• Um sistema (electrónico) digital deve ser…(numa perspectiva industrial)

– bom: satisfazer a funcionalidade com fidelidade e fiabilidade– barato: custo mais baixo possível, sem comprometer a

qualidade

• Projectar um SD– “if it wasn’t hard they wouldn’t call it hardware”, J.F. Wakerly

– ferramentas computacionais ajudam “the little gray cells”mas não substituem


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Fluxo de projecto (típico)

Ideia

sistema (abstracto)

circuito (RTL – lógico)

mapeamento tecnológico

validação

validação fabrico

teste/dev/null

DQ

DQ

um controlador de intensidade luminoas para ligar e desligar luzes de casa sempre que anguementra ou sai da casota do cao que se chama bobi e tem tambem um gato que se chama tareco1 - receptor2 - um cpu para calcular a luz3 - interface de potência

inte

rfac

e

processador

memória

validação

IC

always @(posedge clock or posedge reset)begincase(state)

start: begin if ( enable) ready <= 1;else ready <= 0;state <= waitfor;end

endcaseend


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Concepção• Ideia

– clarificar e estruturar a ideia, definir especificações• um produto é muito mais do que o sistema digital• por vezes um projecto é iniciado com especificações incompletas

• Exequibilidade– boas ideias podem não ser praticáveis

• custo ou risco elevado• tecnologia não acessível, não dominada ou não adequada• tempo de desenvolvimento demasiado longo

• Implementação– Parte do projecto pode ser independente da tecnologia alvo...– ...mas deve ser decidida o mais cedo possível no ciclo de projecto


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Aspectos tecnológicos• Que tecnologia?

– ASIC, FPGA, componentes off-the-shelf?

• Particionamento arquitectural– um sistema pode não “caber” num único componente

• tamanho, número de terminais, tecnologia de fabrico• divisão da funcionalidade (por exemplo analógico vs. digital)• selecção dos componentes e da tecnologia de montagem

memória

interface

co-proc

CPU

I/O proc

funcionalidaderapidezdisponibilidadenúmero de pinosencapsulamentofabricante(s)

PCBCOBMCMwire-wrap

ASIC

RAMmP

LSI


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Tecnologias disponíveis(para implementar sistemas digitais)

• ASIC (CMOS)– Centenas de MHz, baixo consumo, custos fixos elevados– Densidades: 250K gates/mm2 (90nm), 320K (65nm)

• FPGA– Centenas de MHz, consumo elevado, sem custos fixos– Reconfiguráveis!– 10.000.000 gates (equivalentes…) num único chip

• Microcontroladores/microprocessadores– Baixo custo, baixo desempenho, programáveis– Muitas configurações com variados periféricos

• Exemplos: os PIC da Microchip, muitos derivados do 8051

• Circuitos discretos– Circuitos “off-the-shelf”, funcões específicas (ASICs)– Circuitos integrados digitais para SSI e MSI (série 74…)


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Justifica-se um ASIC/FPGA?

• Alguns dos aspectos a ter em conta– rapidez (MHz, MIPS, MFLOPS)– consumo de energia– tamanho físico– custo (das ferramentas, prototipagem e produção)– complexidade do projecto– Flexibilidade (evoluções futuras?)– fiabilidade– testabilidade– dissipação térmica– compatibilidade electromagnética– resistência mecânica


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Ferramentas computacionais• CAD/CAE (Computer Aided Design/Computer Aided Engineering)

– fundamentais para projectar em tempo útil circuitos complexos– Muitos problemas são NP-hard

• Ferramentas CAD/CAE

– trabalham com representações electrónicas de SDs (modelos)– exemplos de ferramentas CAD/CAE

• captura esquemática (mais do que desenhar o circuito lógico...)• síntese (layout, lógica, RTL, alto nível)• desenho físico (layout), verificação de regras geométricas• simulação lógica (verificação funcional)• análise temporal• simulação eléctrica • modelação e simulação de faltas• geração de vectores de teste• análise térmica• edição de texto (documentação e não só!)


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Modelos de circuitos digitais• Representações electrónica de SDs

– usadas e transformadas por ferramentas CAD/CAE

• Um modelo é uma aproximação!– que pode ser boa e pode ser má…– rigor ⇒ detalhe ⇒ aproximação da tecnologia– a simulação de um modelo nunca é igual ao seu

funcionamento real

• Modelos (frequentemente) tratados por humanos– modelos estruturais (esquemáticos)

• detalham a estrutura do circuito, interligando “componentes”– modelos comportamentais (HDLs, state charts, tabelas, BDDs)

• descrevem apenas o comportamento do sistema


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Y- chart

comportamental

estrutural

físico

placas, MCMs

módulos, chips

células

layout detransistores

transistoresportas lógicas

registos, muxs

processadores, memórias

fluxogramas,algoritmos

transferências entre registos

expressõesbooleanas

funções detransistores

dispositivológicoRTL

sistema

níveis

de ab

strac

ção


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Especificação de um SD• Tradicionalmente…

– captura esquemática (estrutural)• interligação de portas lógicas, flip-flops, componentes RTL,…• bibliotecas de componentes específicas de uma tecnologia• anotação do desenho com atributos

– nomes, parâmetros, restrições para implementação• captura a estrutura (física) do circuito• transformado de forma optimizada para uma tecnologia alvo

– tabelas de verdade, expressões booleanas (comportamental)• conveniente para blocos de lógica combinacional ou FSMs

– minimização lógica– codificação de estados

• representação textual, tradução automática para um circuito lógico• independente do meio de implementação


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Especificação de um SD• Actualmente...

– projecto a níveis de abstracção mais elevados• representações comportamentais ao nível RTL e algorítmico• linguagens normalizadas para descrição de hardware

– suportadas por ferramentas de síntese automática– combinam modelação estrutural com comportamental– permitem ao projectista abstrair-se da tecnologia alvo– portabilidade e facilidade de manutenção e documentação

• redução do ciclo de projecto– permite explorar melhor o espaço de soluções

– comparando com a programação de computadores...

código máquinaassemblyC, C++

layoutportas lógicasHDLs

nível deabstracção crescente


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Projecto estruturado• Hierarquia e modularidade

– conceitos semelhantes aos empregues em programação estruturada– objectivos:

• estruturação do projecto• permitir a reutilização de módulos• facilitar a verificação do projecto• simplificar a produção da documentação (geralmente esquecida!)

– “quanta” hierarquia ?• critérios principais:

– funcionalidade e granularidade (complexidade dos módulos)

• uma diferença importante da hierarquia em software:– não significa reduzir a complexidade do hardware– geralmente “desaparece” em algum estágio da implementação


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Metodologias de projecto• Abordagens típicas

– bottom-up (capture-and-simulation)• hierarquia criada de baixo para cima (lógico ⇒ RTL ⇒ sistema)• ciclo de projecto:

– desenhar os circuitos mais simples (ou usá-los se existirem)– validar com simulação esses circuitos– usá-los na construção de outros circuitos mais complexos

– top-down (describe-and-synthesize)• hierarquia criada de cima para baixo (sistema ⇒ RTL ⇒ lógico)• ciclo de projecto

– especificar o sistema de forma comportamental– sintetizar e avaliar as soluções resultantes de diferentes restrições

– na prática usa-se uma mistura de top-down e bottom-up

manual

automático


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Validação do projecto• Simulação funcional

– verificação funcional da especificação • realizada a diferentes níveis de abstracção (sistema ou RTL)• verificar que é satisfeita a funcionalidade desejada• se não funciona? detecção e depuração de erros (debug)• problemas:

– como definir os vectores de simulação ?– como se sabe que o resultado é correcto ?– quão exaustivo é o teste ?

– fontes de erro mais comuns• especificações incompletas, ligações erradas ou nomes trocados• uso incorrecto de ferramentas de síntese automática• má organização das várias versões de um projecto • os computadores não erram, os humanos sim…• são humanos que criam as ferramentas de software!


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Validação do projecto• Análise temporal

– circuitos lógicos introduzem atrasos• a simulação dá resultados correctos considerando os atrasos ?• qual o desempenho ?• o que limita o desempenho ? Como se pode melhorar ?

– modelos de atrasos• específicos de uma tecnologia• dependem do circuito em que um componente se insere (fan-out)• quanto mais completo é o modelo, mais complexa é a simulação

– tpLH, tpHL, tr, tf (mínimos, típicos e máximos)

• interligações também introduzem atrasos – função do comprimento e da forma – só são conhecidos após a implementação ao nível físico


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Implementação

• Síntese lógica– Tradução automática de descrições abstractas (textuais)– Resultado é um netlist que interliga blocos primitivos

• Portas lógicas, flip-flops, buffers, RAMs,…• Cada bloco tem uma representação física determinada

• Place&Route– Colocação física desses blocos numa área determinada

• Minimizar a área, maximizar as relações de proximidade– Construir as interligações definidas no netlist

• Satisfazer restrições temporais, minimizar a área– Sinais de relógio devem ser tratados à parte

• Ferramentas e processos dedicados para sinais desse tipo


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Teste• Teste do sistema fabricado

– testar para quê?• minimizar (→ 0%) o número de sistemas defeituosos vendidos• detectar e diagnosticar defeitos de fabrico• melhorar o sistema ou o processo produtivo

– como testar ?• construir um modelo de faltas do circuito • criar vectores de simulação que as consigam detectar

– saídas diferentes na presença ou ausência da falta– ferramentas para ATPG - Automatic Test Pattern Generation

– teste é uma fatia importante do custo de produção• projecto orientado para a testabilidade (DFT - Design for Testability)• auto-teste (BIST - Built-in Self Test)• teste de PCB (boundary scan test, norma IEEE 1149.1)


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Linguagens de descrição de hardware• Modelação de um circuito (digital)

– descrições comportamentais permitem nível elevado de abstracção– metodologia top-down: ferramentas de síntese automática– representação textual: portabilidade, edição e documentação– a favor do esquemático: “uma figura diz mais do que mil palavras”

• um esquema captura melhor a ideia estrutural• ferramentas gráficas front-end produzem descrições em HDLs

– editores de esquemático: netlist em HDL (estrutural, gate-level ou RTL)– editores de diagramas de estados: descrições sintetizáveis

– duas perspectivas na construção de um modelo• descrever o seu funcionamento apenas para simulação• construir uma descrição sintetizável ($monitor(…) não é sintetizável!)

– um modelo sintetizável deve descrever “bem” o seu funcionamento– subsets das linguagens e regras de modelação dependem das ferramentas


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Verilog vs. VHDL - história•VHDL

– ‘80: por necessidade de normalização, documentação e portabilidade, e DOD funda projecto para criar linguagem de “programação” para descrever hardware

– ‘83: início do desenvolvimento do VHDL (IBM, Texas, Intermetrics)– ‘87: o DOD impõe que todos os SDs fossem descritos em VHDL; standard IEEE 1076;

os sistemas electrónicos do F-22 foram um dos primeiros projectos em VHDL– ‘93: VHDL é revisto e adoptado como o standard IEEE 1076 ’93– ‘96: adopção generalizada por ferramentas EDA; package para ferramentas de síntese (IEEE

1076.3); modelação de bibliotecas para ASIC e FPGA (IEEE 1076.4)

•Verilog– ‘81: Gateway Design Automation, Philip Moorby cria GenRad HDL e o simulador HILO– ‘83: Gateway lançou a linguagem Verilog HDL e um simulador de Verilog– ‘85: linguagem e simulador são enriquecidos (Verilog-XL)– ‘87: Synopsys adopta Verilog como formato de entrada para ferramentas de síntese– ‘89/’90: Cadence compra Gateway e separa o simulador da linguagem; a linguagem é

libertada para o domínio público; é criado o OVI (Open Verilog International)– ‘93: neste ano, de todos os circuitos submetidos a fundições de silício, 85% foram

desenvolvidos e submetidos em Verilog.– ‘95: Verilog é revisto e adoptado como o standard IEEE 1364


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Verilog e VHDL - comparação• capacidade de modelação

– semelhante para modelos estruturais– VHDL oferece melhor suporte para modelos abstractos e modelos de atrasos– Verilog tem melhores construções para modelar ao nível lógico e primitivas

de bibliotecas de ASICs e FPGAs

• tipos de dados– VHDL suporta tipos de dados abstractos criados pelo utilizador– em Verilog os tipos são muito simples e mais próximos do hw (wire e reg)

• aprendizagem– VHDL é fortemente tipada, menos intuitiva, mais verbosa (baseada em

ADA)– Verilog é mais simples e menos verbosa (baseada em C)

• parametrização– VHDL tem construções para parametrizar número de bits, replicar

estruturas e configurar modelos– Verilog suporta apenas modelos com parâmetros, instanciação com

redefinição de parâmetros


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VHDL-Verilog (comportamental)

library IEEE;use IEEE.STD_Logic_1164.all;entity MUX_2_1 isport(S1,A1,B1,S2,A2,B2,S3,A3,B3:in std_logic;

Y1,Y2,Y3:out std_logic);end entity MUX_2_1;

architecture COND_DATA_FLOW of MUX_2_1 isbeginY1 <= A1 when S1=‘1’ else B1;TWO_2_1_MUXES:process(S2,A2,B2,S3,A3,B3)begin

Y2<=B2;if (S2=‘1’) then

Y2<=A2;endif;if (S3=‘1’) then

Y3<=A3;else

Y3<=B3;endif;

end process TWO_2_1_MUXESend architecture COND_DATA_FLOW;

module MUX_2_1(S1,A1,B1,Y1,S2,A2,B2,Y2,S3,A3,B3,Y3);

input S1,A1,B1,S2,A2,B2,S3,A3,B3;output Y1,Y2,Y3;reg Y2,Y3;

assign Y1=S1?A1:B1;

always@(S2 or A2 or B2 or S3 or A3 or B3)begin

Y2=B2;if (S2)

Y2=A2;if (S3)

Y3=A3;else

Y3=B3;end

endmodule

VHDL Verilog


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VHDL-Verilog (estrutural)

library IEEE;use IEEE.STD_Logic_1164.all;

entity HALF_ADDER isport(a,b:in std_logic;

sum,carry:out std_logic);end entity HALF_ADDER;

architecture STRUCT of HALF_ADDER is

component xor2port(a,b:in std_logic; c:out std_logic);

end component;

component and2port(a,b:in std_logic; c:out std_logic);

end component;

beginX1: xor2 port map(a=>a,b=>b,c=>sum);A1: and2 port map(a=>a,b=>b,c=>carry);

end STRUCT;

module HALF_ADDER(a,b,sum,carry);input a,b;output sum,carry;

xor X1(sum,a,b);and A1(carry,a,b);

endmodule

VHDL Verilog


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Modelação em HDL• Modelo sintetizável vs. modelo não sintetizável

– ferramentas de síntese automática inferem uma estrutura• o modelo (comportamental ou estrutural) vai ser hardware• regras, restrições e recomendações das ferramentas de síntese

– como é interpretado e traduzida a descrição em HDL– simulação e implementação devem concordar– construções específicas da tecnologia de implementação

– modelos não sintetizáveis• não são traduzidos para hardware• definem estímulos para simulação; monitorização de sinais• modelam o comportamento de outros circuitos só para simulação

– circuito de relógio– memórias ou CPUs– circuitos de interface (por exemplo conversores A/D ou D/A)


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Modelação em HDLsrecomendações gerais

• Antes de iniciar a construção do modelo– definir a arquitectura e estruturação do projecto (particionamento)– ferramentas de síntese não processam bem circuitos muito grandes!

• Problemas de optimização são NP-completos

• Escrever o código de modo a reflectir a arquitectura– estruturado em módulos e funções, ter em mente a reusabilidade– favorecer a legibilidade: nomes, comentários, parêntesis, parâmetros

• Garantir a precisão da simulação– deve traduzir fielmente o comportamento do hardware gerado– modelar correctamente o comportamento das partes não sintetizáveis


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Verilog HDL (Hardware Description Language)

• Linguagem de descrição de hardware (digital)– Suporta modelação em diferentes níveis de abstracção– criada para modelação e simulação de circuitos digitais– actualmente usada como fonte para ferramentas de síntese– modelos estruturais e modelos comportamentais– não é uma linguagem de programação!

• Unidade básica de um modelo em Verilog:– module: um sub-circuito definido por:

• interface (entradas e saídas)

• implementação (modelo do circuito digital)

preset

clear

q

qbar

q

qbar

preset

clear


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Verilog - introdução• Modelo estrutural de uma latch SR com portas NAND:

module ffnand(preset,clear,q,qbar);input preset, clear;output q, qbar;

nand #1 nand1(q, qbar, preset),nand2(qbar, q, clear);

endmodule

interface

implementação

q

qbar

preset

clear

instância

atraso

• Circuito:saída entradas

primitiva


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Verilog - introdução• Simulação do módulo ffnand

`timescale 1ns/100psmodule top_ffnand;wire q, qb;reg pre, clr;ffnand ffnand1(pre,clr,q,qb);initialbegin $monitor($time, “ preset=%b, clear=%b, q=%b, qbar=%b”,pre, clr, q, qb);

#10 pre=0; clr=1;#10 pre=1;#10 clr=0;#10 clr=1;#10 $finish;endendmodule

fios

estímulosde simulação

monitorde sinais

instância

registos

espera 10ns

escala temporal


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Verilog - introdução• Modelo completo para simulação (testbench)

– reunião dos módulos ffnand e top_ffnand• Resultados da simulação

– produzidos pela função $monitor(...)(system task)• sempre que algum dos sinais declarados muda de estado

– análise das formas de onda de sinais relevantes

0 preset=x clear=x q=x qbar=x10 preset=0 clear=1 q=x qbar=x11 preset=0 clear=1 q=1 qbar=x12 preset=0 clear=1 q=1 qbar=020 preset=1 clear=1 q=1 qbar=030 preset=1 clear=0 q=1 qbar=031 preset=1 clear=0 q=1 qbar=132 preset=1 clear=0 q=0 qbar=140 preset=1 clear=1 q=0 qbar=1

valor lógicodesconhecido


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Verilog - introdução

• Um contador de 4 bits (counter)– estruturação em 3 módulos: c16, Dff e clockgen– clockgen produz o sinal de relógio– contador c16 usa instâncias do módulo Dff (flip-flops tipo D)– hierarquia do modelo:

clockgenc16Dff Dff Dff Dff

counter


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• Modelo do contador c16module c16(value, clock, fifteen, ten);input clock;output [3:0] value;output fifteen, ten;

Dff D1(value[0], clock, ~value[0]),D2(value[1], clock, value[1] ^ value[0]),D3(value[2], clock, value[2] ^ &value[1:0]),D4(value[3], clock, value[3] ^ &value[2:0]);

assign fifteen = &value;assign ten = value[3] & ~value[2] & value[1] & ~value[0];endmodule

vector de bits

operadores

saída ten vale 1 quando value = 1010

saídas de 1 bit


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• Modelo (comportamental) do Dff

module Dff(q, clock, d);input clock, d;output q;reg q;initial

q = 0;always

@ (negedge clock)#10 q = d;

endmodule

q é reg porque “segura” um valor

no início da simulação (t=0)

sempre que clock


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Verilog - introdução• Gerador de relógio (clockgen)

module clockgen(clock);output clock;reg clock;initial

#5 clock = 1;always

#50 clock = ~clock;endmodule

para sempre...

sinal clock gerado:

t=050 505

unidades de tempo reais: ‘timescale 1ns/100psunidade de atraso

arredondamentodos cálculos


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• O circuito completo (módulo counter)

module counter;wire [3:0] count;wire clock, ten, fifteen;c16 contador( count, clock, fifteen, ten);clockgen clock( clock );initial

$monitor($time, “ Clk=%b, Count=%d, is_10=%b, is_15=%b”,clock, count, ten, fifteen);

endmodule


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Testbench

circuitoa

fabricar

geraçãode

estímulos

análisede

respostas

modelo sintetizável(vai ser um circuito digital)

modelo não sintetizável(testbench)

clockreset

memóriasA/D e D/Ainterfaces

ficheiros...

simula o comportamento dedispositivos externos

analisa respostas para verificar a correcção do modelo

registos de textowaveformsficheiros...


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Verilog• Modelo de um full-adder (estrutural gate-level)

`timescale 1ns/100psmodule full_adder(a, b, cin, s, co);

input a, b, cin;output s, co; // resultado e carry-outwire t1, t2, t3;

xor #3 xor_1( s, a, b, cin );

and #2 and_1( t1, a, b ),and_2( t2, a, cin),

and_3( t3, b, cin);

or #(2,3) or_1( co, t1, t2, t3);

endmodule

interface

implementação

instância

saída

entradasprimitivaslógicas

atraso de propagação: tpLH=2 unidades de tempo; tpHL=3 unidades

fios

comentárioatraso de 3

unidades de tempo


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declaração do interface• um módulo pode não ter interface

– em módulos usados para teste de outros - testbenchesmodule myadder_testbench; // sem entradas nem saídas

• declaração de portos de interface:– portos unidireccionais:

input [7:0] din_a, din_b; // din_a, din_b são entradas de 8 bits// onde o MSB é din_a[7] e o LSB é din_a[0]

input clock, reset; // clock, reset são entradas de 1 bitoutput [0:8] res; // result é uma saída de 9 bits, onde o

// MSB é res[0] e o LSB é res[8]– portos bidireccionais:

inout [7:0] databus; // databus é um sinal bidireccional de 8 bits:// pode forçar um nível lógico ou receber um// sinal do exterior

• todos os sinais declarados como portos de entrada/saída são do tipo wire (fio)– fios (wires) apenas “propagam” valores lógicos entre uma origem e um destino– as saídas que “seguram” valores lógicos devem ser declaradas como sinais do tipo reg

• valores lógicos: 1, 0, x (desconhecido) e z (estado de alta impedância)


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declaração de sinais• sinais do tipo wire representam fios ou barramentos (vários bits)

– servem para transportar um valor lógico desde uma origem que o produz– um identificador não declarado é considerado um wire de 1 bit

wire en_clock, sel_reg; // fios simples (um bit)wire [15:0] opr_a, opr_b; // dois barramentos de 16 bits

• sinais do tipo reg representam “registos” (um ou mais bits)– seguram valores lógicos

reg clock, reset; // registos de 1 bitreg [7:0] Ra, Rb; // registos de 8 bitsreg [15:0] regfile[0:31]; // vector de 32 registos com 16 bits cada

• campos de vectores de bitsRb; // todo o registo Rb de 8 bits opr_a[15:8]; // os 8 bits mais significativos de opr_aRb[3]; // o bit 3 do registo Rbregfile[6]; // o elemento no endereço 6 do vector regfile;


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primitivas lógicas

• primitivas lógicas implícitas na linguagem Verilog– representam “componentes” que implementam funções lógicas elementares

• realizam operações entre sinais de 1 ou mais bits

– portas lógicas: and, nand, or, nor, xor, xnor (1º sinal é saída, restantes são entradas)

and and_1(o1, x1, x2), and_2(o2, x3, x4, x5, x6, en);

– buffers e inversores: buf, not (último sinal é a entrada e os restantes são saídas)

not inv_1(nclkout, nclkout1, nclkout2, clkin);buf mybuffer(a, b, c, d, busout);

– buffers de 3 estados: bufif1, bufif0bufif0 tristate_1(out, in, control);

– inversores com saída de 3 estados: notif1, notif0notif0 my_not(not_in, in, control);


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tempos de propagação(não suportados em modelos sintetizáveis)

• na instanciação de primitivas são especificados com o operador #and #3 and_1(o1, x1, x2, x3; // tp = 3 unidades de tempoand #(3,5) and_2(out2, a, b); // tplh=3, tphl=5bufif1 #(3,2,5) buf_1(out, in, en) // tplh=3, tphl=2, tpHiZ=5

• para cada tempo podem ser especificados valores min, typ e maxand #(3:4:5) myand(out2, a, b); // tpmin=3, tptyp=4, tpmax=5bufif1 #(1:2:3,2:3:4,3:4:6) buf_1(out, in, en) // atrasos min:typ:max

• o valor da unidade de tempo é definido pela directiva `timescale`timescale 1ns/100ps // uma unidade=1ns; precisão de simulação=0.1ns


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Verilog – modelos estruturais

• um somador de 4 bits– usando instâncias do full-adder anterior

module four_bit_adder(a, b, cin, s, cout);

input [3:0] a, b;input cin;output [3:0] s;output cout;

wire [2:0] cy;

full_adder fa_0( a[0], b[0], cin, s[0], cy[0] ),fa_1( a[1], b[1], cy[0], s[1], cy[1] ),

fa_2( a[2], b[2], cy[1], s[2], cy[2] ),fa_3(.cin(cy[2]),.a(a[3]),.b(b[3]),.s(s[3]),.co(cout));

endmodule

a e b sãoentradas de4 bits

s é umasaída de4 bits

nome do componente

nomes das instâncias

sinais ligadospor posição

sinais ligadospor nome

cy é umbus de 3 bits


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verificação funcional

• um testbench instancia o módulo four_bit_adder.`timescale 1ns/100psmodule four_bit_adder_testbench;

reg [3:0] a, b;reg cin;wire [3:0] s;wire cout;

four_bit_adder adder4(a, b, cin, s, cout);

initialbegin$monitor($time, “ ci=%b, a=%d, b=%d, s=%d, co=%b”, cin, a, b, s, cout);cin=0; a=2; b=4; #30b=12; #30 cin=1; #30a=4'b1110; b=4'b0110; #30 $stop;

endendmodule

o circuito a testar

monitor de sinais

estímulos de

simulação

registos (seguram valores)

fios (propagam valores)

controlo do simulador (pára)

espera 30 unidades de tempo (30ns)

módulo sem interface (testbench)

quando o simulador inicia...


43

resultados da simulação (formas de onda)


44

resultados da simulação (texto)


45

verificação funcional• Verificação exaustiva do somador de 4 bits

• e se fosse de 32 bits ? (com 1ns por vector seriam necessários 1170 anos!)

module four_bit_adder_testbench;reg [3:0] a, b; reg cin;wire [3:0] s; wire cout;

four_bit_adder adder4(a, b, cin, s, cout);

initialbegin$monitor($time, “ ci=%b, a=%d, b=%d, s=%d, co=%b", cin, a, b, s, cout);

cin = 0; $display(“Verificacao com carry-in = %b”, cin);for(a=0;a<15;a=a+1) for(b=0;b<15;b=b+1) #40;

cin = 1; $display(“Verificacao com carry-in = %b”, cin);for(a=0;a<15;a=a+1) for(b=0;b<15;b=b+1) #40;

$display(“Fim da simulação”); $stop;endendmodule


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constantes

• por omissão: decimal, 32 bits em complemento para dois– são truncadas se forem atribuídas a sinais com menos bits (a partir do LSB):

• pode-se (deve-se) definir o número de bits e a base de representação:

reg [3:0] a;...initialbegina = 28; // 28=11100 -> a fica com 1100=1210

...end

nº de bits

5’d10; // a constante decimal 10 com 5 bits10’b1010_0011_11; // constante com 10 bits, em binário16’h1E_C6; // 16 bits em em hexadecimal

base de representaçãovalor (pode-se usar o separador “_” entre dígitos)


47

Verilog system tasks

• algumas funções internas do simulador (system tasks)– $monitor()

• imprime um registo de texto formatado quando um sinal muda de estado

• a sintaxe é semelhante à função printf() da linguagem C• num projecto só pode existir activo um monitor de sinais

– $time• devolve o tempo actual do simulador (um inteiro)

– $display()• quando invocado imprime um registo de texto formatado

– $stop• interrompe a simulação mas pode ser retomada (breakpoint)

– $finish• termina a execução do simulador (só em alguns simuladores...)


48

modelos comportamentais• Um modelo comportamental é formado por:

– um ou mais processos que operam concorrentemente• assign: blocos combinacionais• always: blocos combinacionais, sequenciais ou síncronos

• Modelo de um full-adder (combinacional)module full_adder_comp(a, b, cin, s, cout);

input a, b, cin;output s, cout;reg cout;

assign s = a ^ b ^ cin;

always @( a or b or cin )begin

cout = (a & b) | (a & cin) | (b & cin);endendmodule

modela blocoscombinacionais

sempre que...

o sinal s estáligado à expressão

operadoreslógicos


49

modelos comportamentais• Modelo comportamental do somador de 4 bits

module four_bit_adder_c(a, b, cin, s, cout);input [3:0] a, b;input cin;

output [3:0] s;output cout;reg cout, s;reg [5:0] ta, tb, ts; // “registos” temps.

always @( a or b or cin or ta or tb or ts )begin

ta = { 1’b0, a, 1’b1 };tb = { 1’b0, b, cin };ts = ta + tb;cout = ts[5];s = ts[4:1];

endendmodule

sempre que...

concatenação de bits

somador

extrair os resultados


50

operadores (semelhantes aos da linguagem C)

aritméticos + - * / % 2 operandos são estendidos com zeros

lógicos ! negação lógica 1 zero é falso, não-zero é verdadeiro&& E lógico 2 retorna 1-verdadeiro ou 0-falso|| OU lógico 2

relacionais > < >= <= 2 operandos considerados unsigned

igualdade == != 2 comparam apenas zeros e uns=== !== 2 comparam também os valores z e x

bitwise ~ & | ^ 2 operandos são estendidos com zeros

shift >> << 2 desloca bits e preenche sempre com zeros

concatenação { } N {3’b101,1’b0,3’b111}=7’b1010111

replicação {{ }} N {N{A}} replica N vezes o valor A

condicional ? : 3 igual à expressão condicional de C

operador #opr observações


51

modelação de blocos combinacionais• assign sinal = expressao;

– Liga permanentemente sinal ao resultado da expressao:

• always @(a or b or c or ...) begin ... end– sempre que um sinal da lista muda de estado avalia o bloco:

opaaIRb

atraso de transporte (não pode ser usado em modelos sintetizáveis)

always @(a or IR or b)beginif ( IR[7:4] & 4’b1010 )opa = { a<<7, (a+b) };

elseopa = { a<<7, (a-b) };

end

assign #10 opa = { a<<7, ( IR[7:4] & 4’b1010 ? (a+b) : (a-b) ) };

lista de sensibilidades


52

latches em blocos combinacionais• Num modelo de um circuito combinacional

– as saídas devem ter um valor atribuído para todas as condições das entradas

– se essa condição não for satisfeita são criadas latches transparentes– a ocorrência de latches num bloco que se pretendia combinacional

é geralmente FATAL (a ver mais tarde)

always @(a or b or sel)beginif ( sel )y = a;

elsey = b;

end

always @(a or b or sel)beginif ( sel )y = a;

end

um multiplexer 2÷1uma latch transparente


53

construções condicionais

if (condition)statement1elsestatement2

case (expression)expr1: statement1;expr2: statement2;default: statement3;endcase;

(expression)?(true):(false)

if (a[2:0]==3’b010 && cy)...

casez

casex(z é don’t care)

(z e x são don’t care)

case (ir[7:4])4’b0001: ...4’b0010: ...default: ...

endcase

casex (ir[7:4])4’bxx01: ...4’bxx10: ...default: ...

endcase

acc=(ir[7:0]==4’b0011) ? 0 : 255;

if (a[2:0]===3’b01z && cy)...


54

ciclos(utilização restrita em modelos sintetizáveis)

for(start;end_expr;update)statement;

forever statement;

for(i=0;i<8;i=i+1)x[i] = x[i+1]

repeat(fixed_loop_count)statement;

repeat(10)begina[i]=a[i+1];i=i+1;

end;

forever #10 clock = ~clock;

while(i<8)begin...end

while(condition)statement;


55

modelação de circuitos síncronos• acumulador de 8 bits

module acc(clk, reset, a, reg_sum);input clk, reset;input [7:0] a;output [7:0] reg_sum;reg [7:0] reg_sum;

always @( negedge clk )if ( reset )

reg_sum <= 8’d0;else

reg_sum <= a + reg_sum;endmodule

processosíncrono com clk sempre que clk

reg_sum “segura” um valor lógico

reg_suma D Q

clk0

reset


56

contador up/downmodule updown_counter(clk, reset, enable, down, dout, end_count);input clk, reset, enable, down;output [3:0] dout;reg [3:0] dout;output end_count;

assign end_count = enable & (down ? (dout==0) : (dout==15) );

always @( posedge clk or posedge reset)beginif ( reset )

dout <= 0 elsebegin

if ( enable )if ( down )

dout <= dout – 1;else

dout <= dout + 1;end

endendmodule

processo síncronocom o flanco ascendentede clk e reset assíncrono

processo combinacional

a avaliação do sinal de resettem de ocorrer no início do bloco begin...end


57

testbench para o contador up/down`timescale 1ns/100psmodule updown_counter_testbench;reg clk, reset, enable, down;wire [3:0] dout;wire end_count;

updown_counter count_1(clk, reset, enable, down, dout, end_count);

initialbegindown = 0; reset = 0; enable = 1;#2 reset = 1; // apply reset#6 reset = 0; // release reset#300 // count up 300nsenable = 0; #40 // disable counterdown = 1; #100 // count downenable = 1; #300 // enable counter, wait 300ns$stop; // stop simulation

endinitial clk = 1’b0;always #5 clk = ~clk; // 10ns clock period

endmodule

estímulos

instância do contador

sinal derelógio


58

atribuições blocking/nonblocking

• Atribuições procedimentais – avaliadas em sequência

• Atribuições non-blocking – avaliadas em paralelo

begina1=in0+in1-acc;y1=a1+b1;z1=y1+a1;

end

begina1<=in0+in1-acc;y1<=a1+b1;z1<=y1+a1;

end

Admitindo que in0=4,in1=4,acc=1a1=4, b1=4, y1=8

a1 = 4+4-1 = 7;y1 = 7+4 = 11;z1 = 11+7 = 18;

a1 = 7;y1 = 4+4 = 8;z1 = 8+4 = 12;


59

atribuições blocking/nonblocking

• Quando usar a=b ou a<=b ?– em processos combinacionais podem-se usar os dois tipos– em processos síncronos deve-se usar apenas non-blocking

• evita a ocorrência de race conditions que podem “encravar” o simulador

always @(posedge clk)begin...if ( dataready )rdy = 1;

...end

always @(posedge clk)begin...if ( rdy )beginreg = datain;ack = 1;

endend


60

blocos sequenciais e paralelos

begin // sequencialx = k;#10 y = a + b;#5 z = y * x;

end

beginx = k;fork#10 y = a + b;#5 z = y * x;

joinend

avaliadas em paralelo

inicia bloco paralelo

termina bloco paralelo

xyz

10 5

xyz

10

5


61

parametrização

• módulos com parâmetros

module my_multiply(...);parameter size=16, delay=5;...endmodulemy_multiply #(8,2) mult1(...);

valores por omissão

valores atribuídosà instância mult1


62

Modelação de máquinas de estados

• FSM (Finite State Machine)– sequência determinada de estados, síncronizado com relógio– estrutura geral

saída

próximoestado

registo deestado

entradassaídas (Mealy)

reset(assíncrono)

reset(síncrono)

clock

saídas (Moore)

saídas (Moore)

saída


63

Modelação de máquinas de estados

• Codificação de estados (feita “à mão”)– atribuição de padrões de bits a cada estado– o tipo de codificação influencia

• dimensão do registo de estado• complexidade dos circuitos lógicos combinacionais

– codificações mais usadas• sequencial

– 0000 0001 0010 0011 0100 … 1101 1110 1111

• código Gray– 0000 0001 0011 0010 0110 … 1011 1001 1000

• código Johnson– 00000000 00000001 00000011 00000111 00001111 … 11100000

11000000

• one-hot– 0000000000000001 0000000000000010 0000000000000100 ...


64

Máquinas de estados - Mealy e Moore

• Mealy– as saídas dependem do estado corrente e das entradas– o valor das saídas é associado às transições entre estados

• Moore– as saídas dependem apenas do estado corrente– o valor das saídas é associado aos estados

A B

C

i1/s1

i2/s2

D E

F

s3s3

s4

i1

i3

condição de transição de estado

i3

i4

valores dassaídas


65

Máquinas de estados - especificação

• Tabela de transição de estados

• Diagrama de transição de estados

00 01

10

0X/1

01X/0

1

1

X1/0X0/1

XX/1

S0 S1

S2

i1/Ymei1/Yme

Ymo

Ymo

i2/Yme

Ymei2/Yme

entradas estado próximo saídasi1 i2 corrente estado Yme Ymo0 X 00 (S0) 00 (S0) 1 01 X 00 (S0) 01 (S1) 0 0X 1 01 (S1) 00 (S0) 0 1X 0 01 (S1) 10 (S2) 1 1X X 10 (S2) 00 (S0) 1 1

saídas Mealysaídas Moore

i1 i2/Yme

Ymo


66

Máquinas de estados - modelação em Verilog

• Modelo incorrectomodule FSM_mal(clock, i1, i2, Yme, Ymo);input clock, i1, i2;output Yme, Ymo;reg Yme, Ymo;reg [1:0] state;

always @(posedge clock)case (state)

2’b00: beginYmo<=0;if (i1)begin

state<=2’b01; Yme<=0;endelse

Yme<=1;end



beginstate<=2’b10; Yme<=1;

endend

2’b10: beginYmo<=1; state<=2’b00; Yme<=1;

endendmodule

00 01

10

0X/1

01X/0

1

1

X1/0X0/1

XX/1

i1 i2/Yme

Ymo

Onde estão os erros ?


67


• Modelo incorrectomodule FSM_mal(clock, i1, i2, Yme, Ymo);input clock, i1, i2;output Yme, Ymo;reg Yme, Ymo;reg [1:0] state;

always @(posedge clock)case (state)



Yme<=1;end



beginstate<=2’b10; Yme<=1;

endend

2’b10: beginYmo<=1; state<=2’b00; Yme<=1;

endendmodule

00 01

10

0X/1

01X/0

1

1

X1/0X0/1

XX/1

i1 i2/Yme

Ymo

• falta de reset (síncrono e/ou assíncrono)• todas as saídas são registadas• Yme não é saída Mealy• não é definido o estado inicial• falta o estado 2’b11


68


• Modelo correcto

00 01

10

0X/1

01X/0

1

1

X1/0X0/1

XX/1

i1 i2/Yme

Ymo

always @(state or i1 or i2)begin

case (state)2’b00: begin

nextstate=2’b00;Ymo=0;if (i1)begin

nextstate=2’b01; Yme=0;endelse

Yme=1;end

2’b01: beginYmo=1;if (i2)begin

nextstate=2’b00; Yme=0;endelse

beginnextstate=2’b10; Yme=1;

endend

2’b10: beginYmo=1; nextstate=2’b00; Yme=1;

enddefault: begin

Ymo=0; nextstate=2’b00; Yme=1;end

endendmodule

module FSM_bem(reset, clock, i1, i2, Yme, Ymo);

input reset, clock, i1, i2;output Yme, Ymo;reg Yme, Ymo;reg [1:0] state, nextstate;

always @(posedge clock)if (reset)

state<=2’b00;else

state<=nextstate;


69


• Separação da lógica do próximo estado das saídas

always @(state or i1 or i2)begincase (state)2’b00: if (i1)

nextstate=2’b01;elsenextstate=2’b00;

2’b01: beginif (i2)

nextstate=2’b00;else

nextstate=2’b10;end

2’b10: nextstate=2’b00;

default: nextstate=2’b00;

endendmodule

always @(state or i1 or i2)begin

case (state)2’b00: begin

Ymo=0;if (i1)

Yme=0;else

Yme=1;end

2’b01: beginYmo=1;if (i2)

Yme=0;else

Yme=1;end

2’b10: beginYmo=1; Yme=1;

enddefault: begin

Ymo=0; Yme=1;end

endendmodule


70


• Combinando estado corrente e próximo estado

always @(posedge clock or negedge reset)beginif (!reset)

state <= 2’b00;else

case (state)2’b00: if (i1)

state<=2’b01;else

state<=2’b00;2’b01: begin

if (i2)state<=2’b00;

else state<=2’b10;

end2’b10: begin

state<=2’b00;end

default: beginstate<=2’b00;

endendendmodule

modelando Ymo como saída síncrona:

always @(posedge clock or negedge reset)begin

if (!reset)begin

Ymo<=0;state <= 2’b00;

endelse

case (state)2’b00: if (i1)

beginYmo<=1;state<=2’b01;

endelsebegin

Ymo<=0;state<=2’b00;

end...

Documents

Projecto de Sistemas Digitais - paginas.fe.up.ptaja/PSD2006_07/slides/SlidesPSD_200607_1... · – modelos estruturais (esquemáticos) • detalham a estrutura do circuito, interligando