Introduction aux outils et langages. de conception des systèmes. numériques

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1 Introduction aux outils et langages de conception des systèmes numériques Fabrice CIGNET LS - CNRS fcaignet@laas.fr

2 Contenu : Les circuits logiques programmables - FPG I. Le VDL : introduction II. Le VDL : sémantique III. Introduction à la conception de systèmes numériques IV. Introduction aux FPGs V. Présentation des convertisseurs numériques VI. Présentation d un bus de communication dédié : le bus CN 2

3 Introduction au langage VDL VSIC ( Very igh Speed Integrated Circuit) ardware Description Language ut : Langage de description matérielle ugmentation de la vitesse de conception des circuits Simulation rapide Langage de programmation tel D, C, Pascal 3

4 Contenu : Les circuits logiques programmables - FPG I. Le VDL? II. Organisation d un modèle VDL III. La conception en VDL 4

5 Les circuits logiques programmables - FPG I. Le VDL? Conception de systèmes complexes Permet la modélisation de grands ensembles électroniques ou logiques en conservant un certain niveau d abstraction Porte élémentaire Composant élémentaire (Porte) Composant Circuit intégré (Microprocesseur) (calculateur) Processus (système de navigation) Complexité Carte - système Système complexe 5

6 I. Le VDL? Les circuits logiques programmables - FPG Pourquoi le VDL? Demande des US en 98 Nécessité d un langage de description non ambiguë des systèmes matériels Unicité de la description Pérennité du modèle Normalisation IEEE du VDL en 987 Depuis 987, c est un standard de description et de modélisation des circuits et systèmes logiques Nombreux outils % VDL (synopsys) Entrées possibles en VDL (cadence) Standard IEEE (ref. IEEE Std 64 en 93) 6

7 I. Le VDL? Les circuits logiques programmables - FPG Caractéristiques du VDL vantages Simulation de systèmes complexes : - Macroscopiques ou microscopiques - Modélisation d ensembles de circuits Description structurée : - Travail en équipe, séparation des taches - Rapidité de conception daptation aux projets Multi-entreprise : - Indépendance vis à vis de la technologie - Sécurité grâce à des modèles compilés Inconvénients Un langage de Spécification Simulation Conception Description complexe Tout n est pas synthétisable (analogique) Prise en compte avec le VDL-MS (997) 7

8 II. Organisation d un modèle VDL Structure d un modèle VDL Nom_du_modèle (signaux d entrée, signaux de sortie) rchitecture du modèle - définition des signaux - locs de description Trois niveaux de description peuvent être utilisés : Structurelle Comportementale Flot de données 8

9 II. Organisation d un modèle VDL Structure d un modèle VDL Le modèle peut avoir plusieurs descriptions adaptables à chaque projet Modèle VDL Entité Structurelle Déclaration d entité rchitecture rchitecture 2 rchitecture Comportemental egin If clk = then Sortie<= a or b; End if; End; 9

10 II. Organisation d un modèle VDL iérarchisation du VDL Le modèle peut avoir plusieurs descriptions adaptables à chaque projet Modèle VDL Entité Déclaration d entité Entité Structurelle Entité 2 rchitecture rchitecture 2 Comportementale egin If clk = then Sortie<= a or b; End if; End; Structurelle rchitecture Modéle Modéle

11 II. Organisation d un modèle VDL Description structurelle (Structural description) Le système électronique (Entity) est décrit comme un module avec des entrées et des sorties (Port). Ce module est composé de sous modules ou instances connectés entre eux par des fils (signal) Entity Entity F S G Instances (GI) I S Port signal La description repose sur une bibliothèque physique d instances

12 II. Organisation d un modèle VDL Description comportementale (ehavioural description or functional description) Le système électronique (entity) est décrit comme un ensemble de foncions ou d algorithmes séquentiels Entity ooléennes(bits, bit_vector), entiers (integer) F S Descriptions complexes de fonctions (If then..else) Description temporelle (s<=b after 5ns) Le VDL autorise : egin If clk = then S<= a or b; End if; End; Structure de boucles (loop endloop, While) ranchement (if then.else, case end case) ppel aux procédures et fonctions Pas de lien avec une bibliothèque physique 2

13 II. Organisation d un modèle VDL Description de type flot de données (discret event time model description) C est une description qui définit l'évolution des signaux. C est une définition temporelle des signaux et des évènements. Cette description permet essentiellement de simuler des structures qui ont été spécifiées Elle est définie généralement par l utilisation d équations concourantes Déclaration de l entité Flot de données Déclaration de l architecture 3

14 II. Organisation d un modèle VDL Un petit exemple : bascule D - description comportementale D Q Déclaration de l entité Définition des entrées et sorties Définition d une sensibilité de déclenchement ffectation des signaux Corps d architecture 4

15 II. Organisation d un modèle VDL Un petit exemple : Oscillateur en anneau - description structurelle D Q D Q D 2 2 Q 2 Q 2 Déclaration de l entité Définition des entrées et sorties Déclaration d un composant (Rappel des ports obligatoire) Instanciation des composants Corps d architecture 5

16 II. Organisation d un modèle VDL Un petit exemple : Oscillateur en anneau - description structurelle D Q D Q D 2 2 Q 2 Q 2 6

17 II. Organisation d un modèle VDL Un petit exemple : Oscillateur en anneau (32 bits)- description structurelle D Q D Q D 3 3 Q 3 Q 3 Instanciation du composant Instanciation des composants De à 3 grâce à une boucle generate Instanciation du composant 3 7

18 III. La conception en VDL Vue d ensemble Source VDL Modèle ibliothèque fondeur Fonctionnelle Détecte les erreurs se syntaxe Incompatibilités des signaux Tests fonctionnels et temporels Equations booléennes, mise à plat de la structure, calcul des redondances, schéma équivalent Optimisation place, temps Compilation Simulation Synthèse Placement routage Source VDL Rétro annotation ibliothèque fondeur Structurelle Fabrication programmation 8

19 III. La conception en VDL Démarche dans maxplusii pour la programmation de FPG 9

20 III. La conception en VDL Démarche dans maxplusii pour la programmation de FPG 2

21 III. La conception en VDL Environnement de saisie dans MaxplusII 2

22 III. La conception en VDL Environnement de saisie dans Quartus 22

23 III. La conception en VDL Environnement de saisie dans Quartus 23

24 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL Compilation de tous les modules VDL Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées Résultat Final Simulation des modules valides Pas de 24

25 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t Simulation des modules valides W W 25

26 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t Simulation des modules valides W t W 26

27 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t t2 Simulation des modules valides t W W 27

28 La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t t2 Simulation des modules valides t3 t W W 28

29 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t t2 Simulation des modules valides t3 t t4 W W 29

30 La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t t2 t3 t5 Simulation des modules valides t t4 W W 3

31 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple Combinatoire pure Compilation de tous les modules VDL W Description VDL Simulation Passage dans le domaine temporel Entity ND Entity OR Définition de nouveaux signaux Recherche du premier événement et des entités activées t t2 t3 Résultat Final t5 t6 Simulation des modules valides t t4 W W 3

32 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple compteur synchrone (en anneau) D Q D Q D 2 2 Q 2 Q 2 t t t2 Process (clk). If clk event and clk= : On calcul toutes les entités en même temps 32

33 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : exemple compteur asynchrone J K Q J K Q J K Q 2 J K Qt+ Qt O Qt Process (clk). If clk event and clk= ; t t t3 t4 t7 t8 t t Q t2 t5 t9 t2 t Q t6 t3 t t Q 2 t 33

34 III. La conception en VDL La simulation dans les environnements VDL : résumé Le VDL permet une simulation évènementiel Rapidité de simulation Simulation de systèmes numériques très complexes «Intelligence» de la méthode de simulation: seul les entités activés sont actionnées Utilisable uniquement pour les systèmes numériques 34