Metody reprezentacji systemów cyfrowych Mariusz Rawski

Transkrypt

1 CAD Metody reprezetacji systemów cyfrowych Mariusz Rawski

2 Układ cyfrowy Układ cyfrowy to układ elektroiczych operujący a sygałach dyskretych ajczęściej (choć ie zawsze) biarych. U C Sygały aalogowe są kowertowae a postać cyfrową w przetworikach A/C poprzez próbkowaie, kwatyzację i kodowaie. Jeśli jest taka koieczość sygały cyfrowe mogą być przekształcoe do postaci aalogowej w przetworikach C/A. 2

3 Projektowaie układów cyfrowych Układy cyfrowe kostruowae są w różych techologiach i a różych poziomach opisu. Bramki i elemetare układy pamięciowe (przerzutiki) D Clk Przerzutik typu D Q Q Bloki fukcjoale: sumatory, licziki, rejestry s 1 s 2 clock X L (Q) Y s 1 s 2 clock x p X R (Q) Y -1 Z OVR P G x l A B ALU c c 0 Y S Y 3

4 Sposoby opisu Duże systemy cyfrowe są bardzo złożoe. W czasie procesu projektowaia i wytwarzaia systemu cyfrowego poszczególe zadaia związae z tym procesem mogą wymagać specyficzych iformacji o projektowaym systemie począwszy od specyfikacji systemu a skończywszy a fizyczym rozlokowaiu kompoetów składowych. Te sam system jest ajczęściej opisyway w róży sposób i poddaway aalizie pod różym kątem. Te róże sposoby postrzegaia systemu to: reprezetacja fukcjoala (behavioral view), reprezetacja strukturala (structural view), reprezetacja fizycza (physical view). 4

5 Reprezetacja fukcjoala Opisuje fukcjoalość (zachowaie) systemu. System jest traktoway jako czara skrzyka bez uwzględieia wewętrzej reprezetacji. Te sposób reprezetacji systemu skupia się a zależości sygałów wyjściowych od sygałów wejściowych, defiiując odpowiedzi systemu a kokrete wartości sygałów wejściowych. Istieje wiele sposobów a podaie charakterystyki wejsciowo-wyjściowej systemu. System cyfrowy iputs if iputs are such the outputs set i this way elseif iputs are other the outputs set i other way outputs? 5

6 Reprezetacja strukturala Opisuje wewętrzą realizację (strukturę) systemu. Podaa jest dokłada specyfikacji jakie kompoety zostały użyte i jak są ze sobą połączoe W miejszym lub większym stopiu jest to schemat albo diagram systemu. Stosuje się pojęcie etlist do reprezetacji schematu systemu. 6

7 Reprezetacja fizycza Opisuje fizyczą charakterystykę systemu. Rozszerza o dodatkowe iformacje reprezetację strukturalą. Poday jest fizyczy rozmiar kompoetów, fizycze rozlokowaie elemetów a płytce krzemowej i ścieżek realizujących połączeia. Reprezetacja fizycza dostarcza ajbardziej dokładą iformację o systemie. Jest to ostatecza specyfikacja do wykorzystaia w procesie wytwrzaia. 7

8 Poziomy abstrakcji Wraz ze wzrostem złożoości systemów cyfrowych (milioy trazystorów) iemożliwym staje się, aby człowiek (a awet komputer) był w staie przetworzyć bezpośredio taką ilość iformacji. Sposobem a to jest opis sytemu a kilku poziomach abstrakcji. Abstrakcja jest po prostu modelem systemu obrazującym jedyie wybrae cechy i igorującym związae z imi detale. Wysoki poziom abstrakcji to skupieie się jedyie a ajbardziej istotej iformacji o systemie. Niski poziom abstrakcji modeluje system z większą precyzją wykorzystując dae pomiięte a wyższych poziomach abstrakcji, jest bardziej złożoy, ale tym samym bliższy rzeczywistości. Wyróżia się cztery poziomy abstrakcji w projektowaiu systemów cyfrowych: poziom trazystorów, poziom bramek, poziom przesłań międzyrejestrowych, poziom procesora. 8

9 Diagram Y algorytmy operacje przesłań międzyrejestrowych procesor, pamięć, iterfejs we/wy sumator, rejestr, multiplekser rówaia Boolowskie bramki, przerzutiki rówaia różiczkowe trazystory, rezystory, kodesatory rozkład bloków fukcjoalych rozkład trazystorów rozkład modułów IP reprezetacja fizycza rozkład komórek 9

10 Syteza strukturala Bloki fukcjoale staowią wyposażeie bibliotek komputerowych systemów projektowaia Każdy układ cyfrowy budoway jest z bloków fukcjoalych Bloki fukcjoale tworzą owe elemety kostrukcyje, z których buduje się złożoe układy cyfrowe o różorodych zastosowaiach: układy przetwarzaia sygałów, układy sterowaia, specjalizowae procesory, układy kryptograficze Liczik Mux Rejestr Kostruowaie układu cyfrowego z bloków fukcjoalych: Syteza strukturala układów cyfrowych 10

11 Blok fukcjoaly X X, (Y) wejścia (wyjścia) sygałów reprezetujących dae wejściowe i wyjściowe S clk BF P S wejścia sterujące, decydujące o rodzaju mikrooperacji wykoywaej przez blok fukcjoaly P wyjścia predykatowe, sygalizujące pewe szczególe stay przetwarzaia daych przez blok fukcjoaly Y clk wejście zegarowe 11

12 Rodzaje bloków fukcjoalych Bloki fukcjoale Kombiacyje Sekwecyje Pamięci Układy komutacyje Układy arytmetycze Rejestry Licziki RAM ROM Multipleksery Demultipleksery Dekodery Sumator Układ możący Komparator Rówoległe Przesuwające Zliczające w górę Zliczające w dół Z wpisem 12

13 Bloki komutacyje e e X 0 Y 0 X j Y X Y j X N-1 Y N-1 Multiplekser służy do wybieraia jedego z wielu słów wejściowych i przesyłaia go a wyjście. Na wyjściu Y pojawia się słowo wejściowe wskazae adresem A (wg aturalego kodu biarego). A A Demultiplekser służy do przesyłaia słowa X wejściowego a jedo z wielu wyjść; umer tego wyjścia jest rówy aktualej wartości adresu. 13

14 Sumatory Sumator podstawowy BF powszechie stosoway w techice cyfrowej A B Ie układy arytmetycze: układy odejmowaia układy możące c układy dzieleia Σ c 0...są budowae z sumatorów Y 14

15 Najprostszy sumator A B Najprostsza realizacja: kaskadowy (ripple carry adder) a -1 b -1 a i bi a b 0 0 c C 4 =0 C 4 =1 Σ c 0 c Σ y -1 c -1 c i+1 Σ c i c 1 Σ c 0 y i y 0 Y Jak jest zbudowae pojedycze ogiwo? 15

16 Fukcje logicze sumatora c o c a b Σ y y i i+ 1 c a b c c o y = a b c i i i = ab c (a b ) i i i i i c o ab c y = cab cab cab cab = c a b c a y = c a b ( b) ab c = ab c(a b) = ab c(a b) 16

17 Reprezetacje liczb Zaczeie liczby biarej Zaczeie N-bitowej liczby biarej zależy całkowicie od jej iterpretacji Istieje potrzeba reprezetacji biarej liczb: całkowitych, aturalych, ułamkowych. Do tego celu wykorzystuje się róże kody 17

18 Reprezetacje liczb NKB/U2 A = < a 1,..., a j,..., a 0 > gdzie a j {0,1} NKB: ( ) = NKB j= A = L A a 2 D j 1 0 j U2: ( ) = 1 + U2 1 j= A = L A a 2 a 2 D j 2 0 j 18

19 Kod U2 A U2 = <a 1,..., a j,..., a 0 >, gdzie a j {0,1} ( ) = 1 + U2 1 j= A = L A a 2 a 2 D j Bit a 1 moża iterpretować jako bit zaku. Jeśli a 1 = 0, to liczba jest dodatia; jeśli a 1 = 1 to liczba jest ujema; pozostałe bity staowią uzupełieie (różicę) wartości liczby do ajwyższej potęgi liczby j <0101> U2 = +5 D <1011> U2 = 5 D Zakres: 2 1 A D

20 Sumator/układ odejmujący Jak z sumatora zbudować układ odejmujący? A B B XOR C o =0 =1 c c 0 Σ Y = A B = A + ( B U2 ) B U2 =B + 1 = B Y B Dla c 0 = 0 Y = A + B = A + B Dla c 0 = 0 Y = A + B = A + ( B) = A B 20

21 Reprezetacja stałoprzecikowa Arytmetyka stałopozycyja sposób wykoywaia działań arytmetyczych a liczbach przedstawioych tak, że położeie przecika oddzielającego część całkowitą liczby od części ułamkowej jest ustaloe i ie zmieia się w czasie wykoywaia tych działań. Liczba przedstawiaa jest w postaci część_całkowita.część_ułamkowa M.F (magitude.fraqctioal) A U2Fix = <a 1,..., a j,..., a 0. a -1,..., a -k >, gdzie a j {0,1} U2Fix 1 j k j A Przykład: ( ) 1 A U2Fix = a 1 2 j= D = L a j = = , ,125 = -13, = = , ,125 = 10,625 2 k j 21

22 Kowersja do formatu stałoprzecikowego Zapisać liczby w formacie 5.3 (5 bity części całkowitej, 3 bity części ułamkowej) 12, , = 12,456 8 = 99, ,381-12, , = -12,456 8 = -99, ,375 22

23 Reprezetacja zmieoprzecikowa w stadardzie IEEE Pojedycza precyzja 32 bity S E M wykładik = E 127 wartość = ±1.M 2 E 127 zak 8 bitów wykładika 23 bity matysy Podwója precyzja 64 bity S E M wykładik = E 1023 wartość = ±1.M 2 E 1023 zak 11 bitów wykładika 52 bity matysy 23

24 Sekwecyje bloki fukcjoale Rejestry Licziki x p X x l X s 1 s 2 clock R (Q) s 1 s 2 clock L (Q) Y Y 24

25 Przerzutiki R Q D R Q S (a) SR latch Q C S (b) D latch Q D C D C Q Q D C Q Q Q Q D FF C Q Q / D Q / k k FF C Q (c) Master-slave D flip-flop (d) D flip-flop symbol (e) k-bit register 25

26 Działaia przerzutików Setup time Hold time Setup time Hold time D C D latch: Q D FF: Q 26

27 Rejestr uiwersaly Y := X Y := Y LOAD HOLD x p X x l s 1 s 2 clock R (Q) Y := SHR(x p, Y) Y := SHL(Y, x l ) Y Y := <0...0> RESET (CLEAR) 27

28 Liczik uiwersaly LOAD HOLD 1100 COUNT LOAD HOLD COUNT clock Liczik LOAD Zliczaie 28

29 Pamięci typu ROM X 0 A X i ROM N m X N-1 m (N = 2 ) Y ROM uiwersaly układ kombiacyjy. Jest zaprogramowaa a pamiętaie N słów m-bitowych 29

30 Pamięci typu RAM 30

31 Pamięci typu Dual Port RAM 31