Pobierz spis treści

SPIS TREŚCI
WYKAZ SKRÓTÓW ............................................................................................ 9
PRZEDMOWA..................................................................................................... 11
1. WPROWADZENIE ........................................................................................ 14
1.1. Uogólniona struktura systemu cyfrowego ................................................ 14
1.2. Główne etapy projektowania systemów cyfrowych ................................. 18
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.2.5.
1.2.6.
ZałoŜenia ogólne........................................................................................ 18
Projektowanie koncepcyjne ....................................................................... 20
Projektowanie strukturalne ........................................................................ 20
Projektowanie funkcjonalne....................................................................... 21
Synteza logiczna ........................................................................................ 21
Projektowanie konstrukcyjne ..................................................................... 22
1.3. Programowalne układy logiczne............................................................... 23
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
1.3.4.
Klasyfikacja programowalnych układów logicznych ................................ 23
„Klasyczne” układy PAL ........................................................................... 28
Uniwersalne układy PAL ........................................................................... 29
ZłoŜone układy PLD .................................................................................. 31
1.4. Charakterystyka procesu projektowania systemów cyfrowych na bazie
programowalnych układów logicznych .................................................... 37
1.5. Wnioski ..................................................................................................... 40
1.6. Literatura................................................................................................... 42
2. METODY PROJEKTOWANIA UKŁADÓW KOMBINACYJNYCH..... 43
2.1. Analiza tradycyjnych metod syntezy układów kombinacyjnych.............. 43
2.1.1. Synteza dwupoziomowa ............................................................................ 43
2.1.1.1. Wiadomości ogólne ....................................................................... 43
2.1.1.2. Funkcje wielowartościowe ............................................................ 44
2.1.1.3. Minimalizacja symboliczna ........................................................... 44
2.1.1.4. Programy realizujące metody syntezy dwupoziomowej ................ 45
2.1.2. Synteza wielopoziomowa .......................................................................... 45
2.1.2.1. ZałoŜenia ogólne ........................................................................... 45
2.1.2.2. Metody syntezy wielopoziomowej.................................................. 46
2.1.2.3. Programy realizujące metody syntezy wielopoziomowej .............. 49
2.1.3. Metody syntezy układów kombinacyjnych na układach PLD ................... 49
2.1.3.1. Synteza jednopoziomowych układów kombinacyjnych.................. 49
2.1.3.2. Synteza dwupoziomowych układów kombinacyjnych .................... 50
2.1.3.3. Synteza wielopoziomowych układów kombinacyjnych .................. 51
2.1.4. Charakterystyka przedstawionych metod syntezy układów
kombinacyjnych......................................................................................... 52
4
Synteza logiczna układów cyfrowych w strukturach programowalnych
2.2. Właściwości struktur PLD przy syntezie układów kombinacyjnych........ 55
2.2.1. Właściwości „klasycznych” układów PAL................................................ 55
2.2.2. Właściwości uniwersalnych układów PAL................................................ 56
2.2.3. Właściwości układów CPLD ..................................................................... 57
2.3. Synteza jednopoziomowych układów kombinacyjnych (metoda M1) ..... 59
2.4. Synteza jednopoziomowych układów kombinacyjnych z wykorzystaniem
montaŜowego łączenia wyjść układu PLD (metoda M2) ......................... 62
2.5. Synteza dwupoziomowych układów kombinacyjnych
(metody M3 i M4)..................................................................................... 67
2.6. Synteza wielopoziomowych układów kombinacyjnych z wykorzystaniem
pętli sprzęŜeń zwrotnych układu programowalnego (metoda M5)........... 76
2.7. Synteza wielopoziomowych układów kombinacyjnych w przypadku
naruszenia ograniczenia na maksymalną rangę koniunkcji (metoda M6) 89
2.8. Weryfikacja rezultatów syntezy układów kombinacyjnych ..................... 98
2.9. Wybór metody syntezy układów kombinacyjnych ................................. 100
2.10. Komputerowa realizacja i rezultaty badań eksperymentalnych metod
syntezy układów kombinacyjnych na układach PLD ............................. 104
2.10.1.Komputerowa realizacja przedstawionych metod syntezy układów
kombinacyjnych....................................................................................... 104
2.10.2.Warunki przeprowadzania badań eksperymentalnych............................. 105
2.10.3.Rezultaty badań eksperymentalnych metody syntezy jednopoziomowych
układów kombinacyjnych z wykorzystaniem montaŜowego łączenia
wyjść (metoda M2) .................................................................................. 108
2.10.4.Rezultaty badań eksperymentalnych metody syntezy dwupoziomowych
układów kombinacyjnych (metoda M3) .................................................. 110
2.10.5.Rezultaty badań eksperymentalnych metody syntezy wielopoziomowych
układów kombinacyjnych z wykorzystaniem sprzęŜeń zwrotnych układu
PLD (metoda M5) .................................................................................... 111
2.11. Wnioski ................................................................................................... 114
2.12. Literatura................................................................................................. 116
3. MODELE AUTOMATÓW SKOŃCZONYCH I ICH REALIZACJA
W UKŁADACH PROGRAMOWALNYCH .............................................. 125
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
Wiadomości ogólne ................................................................................ 125
Klasy automatów skończonych............................................................... 126
Wspólne modele automatów skończonych ............................................. 130
Modele automatów skończonych z rejestrami na wejściach i wyjściach 132
ZłoŜoność realizacji modeli automatów skończonych............................ 141
Analiza czasowa modeli automatów skończonych ................................. 149
3.6.1.
3.6.2.
3.6.3.
3.6.4.
3.6.5.
Główne parametry czasowe układów PLD .............................................. 149
Początek funkcjonowania automatu......................................................... 150
Analiza wykresów czasowych ................................................................. 151
Modele automatów z zatrzaskami na wejściach....................................... 155
Wykorzystanie modeli automatów skończonych w systemach
Spis treści
5
cyfrowych ................................................................................................ 156
3.6.5.1. Wykorzystanie modeli automatów skończonych w szeregowych
systemach cyfrowych................................................................... 159
3.6.5.2. Wykorzystanie modeli automatów skończonych w potokowych
systemach cyfrowych................................................................... 160
3.7. Wybór odpowiedniego modelu automatu skończonego do realizacji..... 162
3.8. Wnioski ................................................................................................... 166
3.9. Literatura................................................................................................. 168
4. METODY PROJEKTOWANIA AUTOMATÓW SKOŃCZONYCH .... 169
4.1. Analiza tradycyjnych metod syntezy układów sekwencyjnych.............. 169
4.1.1. Klasyczne metody syntezy automatów skończonych .............................. 170
4.1.1.1. Minimalizacja stanów wewnętrznych automatów skończonych .. 170
4.1.1.2. Kodowanie stanów wewnętrznych automatu skończonego.......... 171
4.1.1.3. Dekompozycja automatów skończonych ..................................... 172
4.1.2. Minimalizacja symboliczna (synteza dwupoziomowa)............................ 173
4.1.3. Synteza wielopoziomowa ........................................................................ 175
4.1.4. Inne metody syntezy automatów skończonych ........................................ 177
4.1.5. Metody syntezy automatów skończonych zorientowane na struktury
programowalne ........................................................................................ 178
4.2. Charakterystyka przedstawionych metod syntezy automatów
skończonych............................................................................................ 179
4.3. Metoda syntezy szybkich automatów skończonych klas A i B
(metoda A1) ............................................................................................ 184
4.3.1. Metoda syntezy szybkich automatów skończonych klas A i B na
uniwersalnych układach PAL .................................................................. 185
4.3.1.1. Ogólny algorytm syntezy ............................................................. 185
4.3.1.2. Kodowanie stanów wewnętrznych............................................... 187
4.3.1.3. Rozszczepienie stanów wewnętrznych przy syntezie szybkich
automatów klas A i B................................................................... 191
4.3.2. Metoda syntezy szybkich automatów skończonych na CPLD................. 192
4.3.2.1. ZałoŜenia ogólne ......................................................................... 192
4.3.2.2. Algorytm syntezy ......................................................................... 194
4.3.2.3. Kodowanie stanów wewnętrznych............................................... 194
4.4. Metoda syntezy złoŜonych automatów skończonych klas A i B
(metoda A2) ............................................................................................ 196
4.4.1. Cechy architektury układów PLD wykorzystywane przy realizacji
złoŜonych automatów skończonych......................................................... 196
4.4.2. Istota metody............................................................................................ 197
4.4.3. Rozszczepienie stanów wewnętrznych .................................................... 199
4.4.4. Kodowanie stanów wewnętrznych........................................................... 200
4.5. Wykorzystanie wyjściowych makrokomórek układu PLD do syntezy
automatów skończonych (metody A3 i A4)............................................ 205
4.5.1. Synteza automatów skończonych klasy C ............................................... 206
4.5.1.1. ZałoŜenia ogólne ......................................................................... 206
6
Synteza logiczna układów cyfrowych w strukturach programowalnych
4.5.1.2. Ogólny algorytm syntezy ............................................................. 206
4.5.1.3. Przekształcenie automatu Mealy’ego w automat typu Moore’a.. 208
4.5.1.4. Kodowanie stanów wewnętrznych automatu skończonego
klasy C......................................................................................... 209
4.5.2. Synteza automatów skończonych klasy D ............................................... 213
4.5.2.1. ZałoŜenia ogólne ......................................................................... 213
4.5.2.2. Ogólny algorytm syntezy automatów skończonych klasy D ........ 215
4.5.2.3. Przekształcenie automatu skończonego klasy A w automat
klasy D......................................................................................... 216
4.5.2.4. Kodowanie stanów wewnętrznych automatu klasy D.................. 216
4.5.3. Ortogonalizacja wierszy macierzy kodowania stanów wewnętrznych
automatów skończonych klas C i D ......................................................... 220
4.6. Wykorzystanie wejściowych makrokomórek układu PLD do syntezy
automatów skończonych (metody A5 i A6)............................................ 223
4.6.1. ZałoŜenia ogólne metod syntezy automatów skończonych klas E i F ..... 223
4.6.2. Synteza automatów skończonych klasy E................................................ 224
4.6.3. Synteza automatów skończonych klasy F................................................ 233
4.7. Metody syntezy wspólnych modeli automatów skończonych
(metody A7, A8, A9 i A10) .................................................................... 233
4.7.1.
4.7.2.
4.7.3.
4.7.4.
ZałoŜenia ogólne...................................................................................... 233
Metoda kodowania stanów....................................................................... 235
Algorytm syntezy..................................................................................... 237
Synteza innych wspólnych modeli automatów skończonych .................. 244
4.8. Weryfikacja rezultatów syntezy automatów skończonych ..................... 245
4.8.1. Budowa ciągów wzorcowych wektorów testowych ................................ 246
4.8.2. Optymalizacja algorytmu budowy wzorcowych ciągów testowych ........ 249
4.8.3. Sprawdzenie funkcjonowania syntezowanego automatu skończonego ... 250
4.9. Wybór metody syntezy automatu skończonego...................................... 254
4.10. Badania eksperymentalne metod syntezy automatów skończonych....... 258
4.10.1.Rezultaty badań eksperymentalnych metody syntezy szybkich
automatów skończonych klas A i B ......................................................... 259
4.10.2.Rezultaty badań eksperymentalnych metody syntezy złoŜonych
automatów skończonych klas A i B ......................................................... 261
4.10.3.Rezultaty badań eksperymentalnych metod syntezy automatów
skończonych klas C i D............................................................................ 262
4.10.4.Rezultaty badań eksperymentalnych metod syntezy automatów
skończonych klas E i F............................................................................. 265
4.10.5.Rezultaty badań eksperymentalnych metody syntezy wspólnego
modelu automatów skończonych klas ADE............................................. 267
4.11. Wnioski ................................................................................................... 269
4.12. Literatura................................................................................................. 271
5. PROJEKTOWANIE UKŁADÓW STEROWANIA LOGICZNEGO
NA UKŁADACH PLD.................................................................................. 279
5.1. Informacje ogólne ................................................................................... 279
5.1.1. Zasady sterowania mikroprogramowanego ............................................. 279
Spis treści
5.1.2.
5.1.3.
5.1.4.
5.1.5.
7
5.1.1.1. ZałoŜenia ogólne ......................................................................... 279
5.1.1.2. Układy sterowania i układy operacyjne ...................................... 280
Sieci działań ............................................................................................. 283
Synteza automatów mikroprogramowanych z wykorzystaniem sieci
działań...................................................................................................... 284
Analiza metod syntezy automatów mikroprogramowanych na układach
PLD.......................................................................................................... 290
5.1.4.1. Synteza automatów mikroprogramowanych na jednym układzie
PLD ............................................................................................. 290
5.1.4.2. Synteza jednopoziomowych układów automatów
mikroprogramowanych ............................................................... 290
5.1.4.3. Rozszerzenie jednopoziomowych układów AM ze względu na
wejścia i wyjścia.......................................................................... 293
5.1.4.4. Dekompozycja automatów mikroprogramowanych (synteza
wielopoziomowa)......................................................................... 297
Charakterystyka przedstawionych metod syntezy ................................... 298
5.2. Synteza automatów mikroprogramowanych klas A – F ......................... 300
5.2.1. Synteza automatów mikroprogramowanych klas A i B za pomocą
specjalnego podziału sieci działań ........................................................... 300
5.2.2. Synteza automatu mikroprogramowanego Moore’a klasy C ................... 303
5.2.3. Synteza automatów mikroprogramowanych klas D – F .......................... 308
5.3. Synteza jednopoziomowych układów automatów mikroprogramowanych
z rozproszoną pamięcią........................................................................... 309
5.3.1. Struktura jednopoziomowego układu AM z rozproszoną pamięcią......... 309
5.3.2. Synteza jednopoziomowego układu AM Mealy’ego z rozproszoną
pamięcią ................................................................................................... 313
5.3.3. Synteza jednopoziomowego układu AM Moore’a z rozproszoną
pamięcią ................................................................................................... 322
5.4. Synteza układów hierarchicznych automatów mikroprogramowanych.. 330
5.4.1. Synteza układów hierarchicznych szeregowych AM............................... 330
5.4.1.1. Struktura układu hierarchicznego AM ........................................ 331
5.4.1.2. Algorytm syntezy ......................................................................... 334
5.4.1.3. Podział sieci działań na fragmenty ............................................. 335
5.4.2. Realizacja sieci działań z powtarzającymi się fragmentami (synteza
dwupoziomowych układów AM)............................................................. 342
5.4.3. Synteza układów hierarchicznych równoległych AM.............................. 347
5.5. Synteza specjalnych struktur układów sterowania logicznego ............... 353
5.5.1. Synteza aperiodycznych układów CLD o róŜnym czasie wykonywania
mikrorozkazów ........................................................................................ 353
5.5.1.1. ZałoŜenia ogólne ......................................................................... 353
5.5.1.2. Struktura układu sterowania logicznego ..................................... 355
5.5.1.3. Określenie długości taktu pierwotnego sygnału synchronizacji
i czasu wykonywania kaŜdego mikrorozkazu .............................. 355
5.5.1.4. Synteza generatora sygnałów synchronizacji.............................. 358
5.5.1.5. Synteza automatu mikroprogramowanego .................................. 359
8
Synteza logiczna układów cyfrowych w strukturach programowalnych
5.5.2. Synteza aperiodycznych układów CLD z sygnałami potencjałowymi
(o róŜnym czasie wykonywania mikrooperacji) ...................................... 365
5.6.
5.7.
5.8.
5.9.
Wybór metod syntezy układów sterowania logicznego.......................... 371
Weryfikacja rezultatów syntezy automatów mikroprogramowanych..... 372
Wnioski ................................................................................................... 374
Literatura................................................................................................. 378
6. PAKIET PROGRAMÓW śUBR DO WSPOMAGANIA
PROJEKTOWANIA UKŁADÓW CYFROWYCH NA BAZIE LOGIKI
PROGRAMOWALNEJ................................................................................ 381
6.1. Informacje ogólne ................................................................................... 381
6.2. Zastosowanie pakietu śUBR do wspomagania procesu projektowania
systemów cyfrowych .............................................................................. 381
6.2.1. Opis funkcjonowania urządzenia w postaci pliku tekstowego................. 382
6.2.1.1. Opis układu kombinacyjnego ...................................................... 383
6.2.1.2. Opis automatu skończonego........................................................ 385
6.2.2. Określenie pliku z opisem układu wejściowego ...................................... 386
6.2.3. Ustawienie parametrów układu PLD ....................................................... 386
6.2.4. Ustawienie parametrów syntezy .............................................................. 388
6.2.5. Wybór i wykonanie metody syntezy........................................................ 391
6.2.6. Analiza rezultatów syntezy ...................................................................... 391
6.2.6.1. Plik wejściowy systemu MAX+Plus II......................................... 391
6.2.6.2. Plik wejściowy systemu CUPL ................................................... 393
6.2.6.3. Plik wejściowy w języku ABEL-HDL........................................... 394
6.2.6.4. Plik wejściowy systemu Mach XL................................................ 395
6.2.6.5. Plik w języku VHDL ................................................................... 396
6.2.6.6. Pliki raportów ............................................................................. 397
6.3. Wnioski ................................................................................................... 398
6.4. Literatura................................................................................................. 399
ZAKOŃCZENIE ................................................................................................ 400