Толкачёв Дмитрий Олегович

Факультет вычислительной техники и информатики
Специальность: Компьютерные системы и сети

Тема выпускной работы:

Разработка и исследование управляющего автомата Мили с формирователем адреса в базисе CPLD

Научный руководитель: Зеленёва Ирина Яковлевна

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, а особенно в системах управления самими разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно - технического прогресса. Поэтому исследования управляющих автоматов в базисе CPLD (которые используются в мобильных телефонах, коммуникаторах и другой мобильной технике) помогут оптимизировать аппаратурные затраты, а как следствие уменьшить размер и стоимость устройств.
Принцип микропрограммного управления допускает, используемый современной цифровой технике, что цифровое устройство состоит из двух частей: операционный автомат (ОА) и управляющий автомат (УА). В операционном устройстве выполняются арифметические и логические операции, в качестве узлов в состав операционного устройства входят: регистры, счетчики, сумматоры, дешифраторы и др. УА формирует последовательность управляющих символов в ОА, под воздействием которых ОА реализует более сложные алгоритмы. Такие последовательности операций называются микропрограммами, и обычно записываются в виде граф схемы алгоритма. УА разделяются на большие группы: автоматы с жесткой логикой и автоматы с программируемой логикой. В свою очередь, автоматы с жесткой логикой подразделяются на автоматы, выполненные по схеме Мили или Мура. В автоматах с жесткой логикой схема автомата однозначно интерпретирует схему графа микропрограммы.
В данной работе будут выполнено:
1. Анализ функционирования УА Мили с формирователем адреса.
2. Исследование возможной оптимизации структуры автомата.
3. Разработка САПР по синтезу УА Мили с формирователем адреса.
4. Анализ результатов работы.

Актуальность

В связи с динамичным развитием рынка цифровой электроники, столь же быстрыми темпами развивается и рынок программного обеспечения по проектированию цифровых схем. Также многие фирмы-разработчики (например, Xilinx) предоставляют возможности по обучению работе с их ПО и аппаратными средствами. Поэтому я считаю, что создание САПР( как для синтеза, так и в обучающих целях) по проектированию цифрового устройства (управляющего автомата в базисе CPLD) – достаточно востребованная работа.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Магистерская работа выполнена на протяжении 2008-2009 г.г. согласно научному направлению кафедры «Электронные вычислительные машины» Донецкого национального технического университета.

Цель и задачи разработки и исследования

Цель работы: целью работы является создание САПР, позволяющей автоматизировать процесс синтеза УА Мили с формирователем адреса.
Идея работы: автоматизация разработок синтеза.
Основные задачи разработки и исследования:
1. Исследовать влияние параметров ГСА (коэффициент разветвления, длина линейных последовательных связей) на площадь, занимаемую автоматом на кристалле.
2. Разработка программной оболочки, которая по входным данным в виде граф-схемы заданного алгоритма в файле формата *.xml вычисляет необходимые параметры для структурных единиц автомата.
3. Разработка САПР, который по параметрам, вычисленным в п.2 формирует поведенческую модель автомата с формирователем адреса.
Предмет разработки и исследования: управляющие автоматы, реализуемые в базисе CPLD.
Объект разработки и исследования: САПР для синтеза УА Мили с формирователем адреса.
Методология и методы исследования: Использованы основные положения булевой алгебры, теории конечных автоматов.

Научная новизна

1. Впервые исследована зависимость площади кристалла от параметров ГСА автомата Мили с формирователем адреса.
2. Впервые разработана САПР для синтеза HDL-модели УА Мили с формирователем адреса в базисе CPLD.
3. Впервые результаты работы САПР проверены на стандартной ПЛИС – CoolRunner II XC2С256.

Практическое значение

Практическое значение разработки состоит в возможности использования САПР для синтеза управляющих автоматов в базисе CPLD, а также использования в комплексе программ для других типов автоматов. Данная программа также может использоваться в обучающих целях для развития знаний о программируемых логических интегральных схемах и теории синтеза, а также того для обучения работы с платой CoolRunner II XC2С256.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на V всеукраиннской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Комп’ютерний моніторинг та інформаційні технології» (КМІТ – 2009).

Обзор исследований и разработок по теме

Локальный обзор: Костянок Татьяна Николаевна "Разработка методов синтеза микропрограммных автоматов Мили с кодированием объектов"
Якубовский Андрей Вячеславович “Исследования управляющих автоматов с жесткой логикой на ПЛИС”
Выприцкая Полина Александровна «Автоматизация синтеза управляющих автоматов Мили на FPGA»
Бережок Алексей Юрьевич «Исследование структур управляющих автоматов с элементаризацией линейных последовательностей состояний»
Данилов Максим Васильевич «Разработка и исследования системы автоматизированного проектирования композиционных микропрограммных устройств управления»
Мирошкин Александр Николаевич «Синтез и исследование композиционных микропрограммных устройств управления с базовой структурой»
Лаврик Александр Сергеевич «Синтез и исследование КМУУ с модифицированной системой микрокоманд на ПЛИС»
Нацональный обзор:
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра автоматизации проектирования вычислительной техники

Севастопольский национальный технический университет.
Кафедра кибернетики и вычислительной техники.

Одесскй Национальный Университет имени И. И. Мечникова
Кафедра компьютерных и информационных технологий.

Таврический Национальнй университет им. В.И.Вернандского. Физический факультет Кафедра компьютерной инженерии.

Глобальный обзор:
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
Кафедра «Технологии программирования»

Институт информатики и электроники Зеленогурского университета (Зелена Гора, Польша)

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет автоматики и вычислительной техники
Кафедра вычислительной техники»

Факультет компьютерных наук Дрезденского технического университета (Германия)

Московский Государственный Институт Электронной Техники
Факультет электроники и компьютерных технологий
Кафедра "Проектирование и конструирование интегральных микросхем"

Основная часть

Во введении обоснована актуальность темы магистерской работы, формулируется цель и задачи работы, идея работы и её научная новизна.
В первой части производится обзор существующей базы программируемых логических интегральных схем, а также законы функционирования УА Мили.
ПЛМ обладают наибольшей гибкостью применения, поскольку позволяют реализовать сокращённые ДНФ систем БФ, причём число термов в каждой функции может быть произвольным. Технология ПЛМ является развитием технологи ППЗУ и впервые появилась в 1974г. ПЛМ состоит из входного и выходного буферов и программируемых матриц «И» и «ИЛИ»

Рисунок 1. Структурная схема ПЛМ

Однако в настоящее время ПЛМ фактически выбыли из производства и были заменены на другие устройства – CPLD(Сложные программируемые логические устройства).
Архитектура CPLD напоминает популярную PAL (Programmable Array Logic – Программируемая матрица логики) архитектуру, когда логические ресурсы реализуются массивом элементов И, объединённых элементами ИЛИ, в свою очередь заведёнными на триггера или непосредственно на выход. Такая простая логическая структура достаточно проста для понимания, обеспечивает чрезвычайно короткое время компиляции и минимальные задержки pin-to-pin.

Рисунок 2. Структура CPLD

В структурной схеме приняты следующие обозначения. Через ФБ (FB) обозначены функциональные блоки, число которых N зависит от уровня инте¬грации микросхемы и изменяется в довольно широких пределах. В каждом ФБ имеется п макроячеек МЯ (МС, Macrocells). Функциональные блоки по¬лучают входные сигналы от программируемой матрицы соединений ПМС,PIA, Programmable Inerconnect Array). Число таких сигналов т. Выходные сигналы ФБ поступают как в ПМС, так и в блоки ввода/вывода CPLD (IOBs, Input/Output Blocks, БВВ). ПМС обеспечивает полную коммутируемость функциональных блоков, т. е. возможность подавать сигналы с любого их выхода на любой вход.
Блоки ввода/вывода связаны с внешними двунаправленными выводами I/O, которые, в зависимости от программирования, могут быть использованы как входы или как выходы. Три нижних вывода либо специализируются для по¬дачи на матрицу функциональных блоков сигналов GCK (Global Clocks) -глобального тактирования, сигналов GSR (Global Set/Reset) глобальной установки/сброса и сигналов GTS (Global 3-state Control) глобального управления третьим состоянием выходных буферов, либо эти же выводы могут быть использованы для операций ввода/вывода.
Число контактов ввода/вывода может совпадать с числом выходов всех ФБ, но может быть и меньшим. В последнем случае часть макроячеек может быть использована только для выработки внутренних сигналов устройства (в частности, сигналов обратной связи). Необходимость в таких сигналах типична для структур большинства цифровых устройств.
CPLD различных фирм-изготовителей и разной сложности имеют функциональные блоки, в принципиальном отношении мало отличающиеся друг от друга по своей архитектуре и составу элементов:

Рисунок 3. Структура функционального блока

Основными частями функциональных блоков CPLD являются программи¬руемая матрица элементов И (Ми), матрица распределения термов МРТ и группа из нескольких (N) макроячеек. По существу, каждый ФБ представ¬ляет собою PAL-подобную структуру с некоторыми отличиями от вариан¬тов, используемых в простых PLD (ПМЛ). Как и в классических PLD, в блоке имеется многовходовая матрица Ми, вырабатывающая конъ¬юнктивные термы для их использования в последующих частях блока.
В автомате Мили выходные сигналы зависят от входных сигналов. Это позволяет упростить схему автомата с точки зрения оборудования, но усложняет процесс управления ОА.
Порядок синтеза автомата Мили.
1. Отметка состояний автомата Мили осуществляется следующим образом:
а) Выход начала и вход конца отмечаются одним состоянием.
б) Отмечаются выходы всех операторных вершин, причём если несколько ветвей объединяются, то происходит отметка одного состояния.
2. Каждому состоянию присваиваются позиционный двоичный код. Количество разрядов определяется количеством состояний по формуле M=]log2n[, где n – количество состояний, М – количество разрядов сходов, ][ - округление в большую сторону.
3. Составляется прямая структурная таблица перехода автомата. В таблице указывается текущее состояние автомата и его код, последующее состояние автомата и его код, условие перехода из состояния в состояние, выходные сигналы, которые при этом формируются.
4. Формируется таблица функций возбуждения триггера автомата. Таблица формируется путём анализа переключений каждого разряда входа для заданного типа триггера. Часто таблица функций возбуждения дополняет таблицу переходов автомата.
5. По таблице записываются формулы для выходных сигналов и функций возбуждения. Формулы составляются следующим образом: ДНФ, каждый терм которой является конъюнкцией текущего состояния автомата и условного перехода. Термы записываются для единичного значения соответствующего сигнала.
6. Формулы переводятся в заданный базис и строится логическая схема автомата в соответствии со структурой, приведённой выше.
Во второй части описывается базовая структура исследуемого автомата, а также влияние параметров граф-схем алгоритма на его структуру.
Схема управляющего автомата Мили с формирователем адреса используется с целью оптимизации площади кристалла ПЛИС за счёт уменьшения числа выходов
в сравнении с тривиальной реализацией УА Мили. Синтез схемы начинается с того, что кодируются строки прямой структурной таблицы автомата (ПСТ). Затем составляется преобразованная ПСТ – множеством Eh={e1,e2…en} кодируется номер строки таблицы. Следующим шагом кодируется набор микроопераций – множество выходных сигналов Y. Формируется таблица функции возбуждения памяти и кодируются наборы микроопераций (микрокоманды)[1]. Функционально схема реализации этого алгоритма состоит из следующих узлов: -ПЛМ – формирует коды строк ПСТ на основании входных сигналов Xl и кодов состояний am .
-ПЗУ1 – параллельно формирует ФВП и коды микрокоманд.
-ПЗУ2 – формирует выходные состояния автомата.

Анимированный рисунок - схема функционирования PFY автомата(кадров - 4,количество повторений - 6)
В третьей части будет описан процесс разработки программы САПР, а также сопутствующих модулей
В четвёртой части будут описаны результаты работы САПР, а также сравнительные характеристики синтезирования УА Мили с формирователем адреса на CPLD с различным количеством макроячеек.

Выводы

В процессе работы были рассмотрены наиболее современные ПЛИС, а также выбран базис для реализации управляющего автомата Мили с формирователем адреса. Рассмотрена общая структура УА Мили с формирователем адреса, а также проведены исследования по влиянию параметров ГСА на площадь кристалла, которую занимает автомат.
Планируется разработка системы САПР, которая по входным данным (ГСА в формате *.xml) формирует HDL-модель управляющего автомата, готовую к синтезу на ПЛИС.

Литература

1. Баркалов О.О. Синтез пристроїв керування на програмованих логічних пристроях. – Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. – 262 с.
2. Уэйкерли Дж. Ф. Проектирование цифровых устройств : в 2-х т. /Дж. Ф. Уэйкерли. – М. : Постмаркет, 2002.
3. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики, - СПб.: БХВ – Питербург, 2002. – 608с.:ил.
4. Соловьев В.В. Проектирование цифровых схем на основе программируемым логических интегральных схем. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.-636 с ил.
5. Сергиенко А.М. VHDL для проектирования вычислительных устройств – К ЧП «Корнейчук», ООО «ТИД ДС», 2003 – 208 с
6. Бибило П.Н. Основы языка VHDL – М.: Солон-Р,2002.- 224с.: ил.
7. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника – СПб.: БХВ – Санкт-Питербург 2000 – 528с.: ил.
8. Документация фирмы Xilinx.Семейство CPLD CoolRunnerII. http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds090.pdf
9. Тарасов И.Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС Xilinx с применением языка VHDL. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 252 с.
10. CPLDs vs. FPGAs: Comparing High-Capacity Programmable Logic. – Altera Corporation, 2000, ver.3. – 12p.