SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS

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1 SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS Edson T. Midorikawa, Ricardo Caneloi dos Santos e Dante Tantalean / 2002 E.T.M./2003 (revisão) E.T.M./2004 (revisão) E.T.M./2005 (revisão) RESUMO Nesta experiência serão discutidos o procedimento de simulação de circuitos digitais e também sua importância dentro de uma metodologia para projeto de sistemas digitais. A parte experimental consiste na aplicação de técnicas de simulação em alguns circuitos com o auxílio da ferramenta de software MAX+PLUS II da Altera. O objetivo principal desta experiência é a familiarização com os procedimentos de simulação e com a ferramenta de software. 1. PARTE TEÓRICA 1.1. Metodologia de Projeto de Sistemas Digitais 1 Para que um sistema digital possa ser implementado eficientemente, é necessário adotar uma metodologia de projeto. Uma possível metodologia de projeto pode ser descrita através do fluxograma mostrado na figura 1.1 abaixo. INÍCIO DEFINIÇÃO SÍNTESE DESCRIÇÃO AVALIAÇÃO SIMULAÇÃO OK? N N OK? S S FIM Figura 1.1 Uma metodologia de projeto de sistemas digitais. As principais etapas da metodologia proposta de projeto de sistemas digitais são as seguintes: i. Na etapa de DEFINIÇÃO, o sistema digital (SD) é especificado funcionalmente a partir dos seus sinais de entrada e saída e de suas funcionalidades. Um SD pode ser dividido em diversas partes ou módulos. ii. Na etapa de DESCRIÇÃO são gerados os algoritmos responsáveis pelo funcionamento de cada uma das partes definidas na primeira etapa. Pode ser realizado com um editor gráfico, utilizando símbolos gráficos para cada componente ou módulo já projetado (captura esquemática), ou usando-se uma linguagem de descrição de hardware (HDL). 1 Esta seção é uma adaptação do material da apostila da experiência "Lógica Programável" de autoria de Edith Ranzini e Edson Lemos Horta, PCS/EPUSP, Simulação de Circuitos (2005) 1

2 iii. A etapa seguinte (SIMULAÇÃO) envolve a execução de uma simulação do SD, com o objetivo de verificar possíveis erros de concepção do projeto. Procura-se aqui encontrar erros, e em caso afirmativo, uma ação corretiva pode ser tomada. iv. Na SÍNTESE, cada um dos módulos do SD é transformado em elementos de hardware, para serem implementados fisicamente. v. Na AVALIAÇÃO, estes elementos de hardware são testados para verificar se a implementação do SD está funcionando de acordo com a especificação do projeto. Caso for encontrada qualquer discordância, uma nova síntese pode ser elaborada Simulação de Circuitos Digitais O objetivo da simulação é verificar se o projeto do circuito digital, especificado via captura esquemática ou via linguagem de descrição de hardware (HDL), executa corretamente de acordo com as suas especificações. Há duas categorias de simulação, funcional e temporizada. A simulação funcional simula a operação do circuito a partir de uma perspectiva lógica apenas, sem se preocupar com os atrasos de propagação dos sinais pelos componentes. Todos os dispositivos operam com tempos de atraso, setup e hold iguais a zero. Ela apenas verifica as equações booleanas e o seqüenciamento da máquina de estados. De uma maneira geral, é mais rápida que a simulação temporizada, permitindo assim encontrar erros de projeto mais rapidamente. A simulação temporizada simula a operação do circuito sob uma perspectiva de propagação de sinais pelos componentes. Todos os dispositivos operam com tempos de atraso, setup e hold reais. Ou seja, circuitos logicamente corretos, mas que não obedecem, por exemplo, o tempo de setup de um dos componentes pode produzir resultados diferentes do esperado. Geralmente, esta simulação usa atrasos do pior caso (worst-case delays), de modo que um circuito real deve operar mais rápido que o simulado. Ela é usada para verificar problemas de temporização, mas pode também ser usada para re-verificar as equações booleanas e o seqüenciamento da máquina de estados. Por se tratar de um processo mais demorado, é normalmente usado depois de uma simulação funcional. Várias ferramentas dispõem do recurso de simulação. O MAX+PLUS II oferece este recurso com auxílio do editor de formas de onda, como ilustrado na figura 1.2 abaixo. Figura Editor de formas de onda do MAX+PLUS II. Simulação de Circuitos (2005) 2

3 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Atividades Pré-Laboratório Nesta experiência será usado o software MAX+PLUS II da Altera para a simulação dos circuitos abaixo. Consulte as seções relevantes da apostila "Projeto de Circuitos com MAX+PLUS II" (disponível na página Internet do curso) para instruções de uso do programa Circuito Assíncrono Seja o circuito da figura 2.1 abaixo. D C K 1 1 D D 2 3 C K C K 2 3 A D C K 4 4 Figura Circuito a ser simulado. a) Desenhe este circuito no MAX+PLUS II usando o editor gráfico, não se esquecendo de criar um projeto para ele. Em seguida, salve e verifique a presença de erros. b) Simule o comportamento do circuito, conforme descrito na apostila "Projeto de circuitos com MAX+PLUS II". c) Apresente as formas de onda esperadas para os sinais 1, 2, 3, 4 e A. ual a influência dos atrasos nos componentes? d) A partir dos resultados da simulação, analise as formas de onda obtidas para os sinais 1, 2, 3, 4 e A. Ocorreu algo diferente do resultado esperado? e) Repita a simulação para um "grid size" maior (por exemplo, 1 ms) 2. Houve alguma mudança nas formas de onda? Analise Simulação e Depuração de Circuitos Digitais Apresentamos aqui o uso da simulação com objetivo de depurar um circuito ainda em projeto. O circuito a ser analisado neste item deveria ter o seguinte funcionamento: 1. Inicialmente é preciso ativar o sinal de entrada CLEAR para colocar o circuito em um estado inicial consistente; 2. Introduzir 4 bits de dados nas entradas I0 a I3; 3. Em seguida, ao final de 4 pulsos no sinal CLOCK, os sinais de saída S0 a S3 devem conter os mesmos dados introduzidos anteriormente nas respectivas entradas. 2 Não esqueça também de alterar o valor do parâmetro end time, que especifica o tempo de fim de simulação. Simulação de Circuitos (2005) 3

4 Dado um arquivo gráfico do MAX+PLUS II (a ser apresentado pelo professor) que contém o circuito a ser depurado, execute os itens seguintes: a) Estude o circuito e explique a função de cada componente. b) Simule o circuito e compare o seu funcionamento com a especificação acima. ue erro(s) foi(ram) detectados? Imprima as formas de onda obtidas. c) Verifique o mal-funcionamento do circuito e procure encontrar possíveis fontes de erro. Explique o(s) erro(s) encontrado(s). d) Corrija o(s) erro(s) e simule o circuito corrigido. Como foi feita esta correção? e) Imprima o circuito corrigido e as respectivas formas de onda e anexe-os no relatório Descrição VHDL a) Estude a descrição VHDL abaixo e introduza comentários para cada linha. -- Descrição VHDL adaptada do livro "Rapid Prototyping of Digital Systems" -- Hamblen & Furman; Kluwer Academic Publishers, 2001 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_arith.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity contador is port (CLOCK, RESET: in std_logic; MAX_CONT: in std_logic_vector(7 downto 0); SAIDA: out std_logic_vector(7 downto 0) ); end contador; architecture comportamental of contador is signal contagem: std_logic_vector(7 downto 0); begin SAIDA<=contagem; process(reset,clock) begin if RESET='1' then contagem<=" "; elsif (CLOCK'event and CLOCK='1') then if contagem < MAX_CONT then contagem<=contagem+1; else contagem<=" "; end if; end if; end process; end; b) Execute a simulação da descrição acima no MAX+PLUS II e verifique o seu comportamento de acordo com os procedimentos descritos no Apêndice B. c) Como modificar a descrição acima para que a saída varie de 0E 16 até 34 16? O que deve ser executado para garantir a condição inicial? 2.5. Perguntas a) ual o papel da simulação no processo de desenvolvimento de circuitos digitais? Escreva com suas próprias palavras. b) uais as vantagens do uso de ferramentas de simulação no processo de desenvolvimento de circuitos digitais? c) Exemplifique outros usos possíveis da simulação. Simulação de Circuitos (2005) 4

5 4. BIBLIOGRAFIA DUECK, R. K. Digital Design with CPLD Applications and VHDL. Delmar, FREGNI, E. & SARAIVA, A. M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: conceitos e prática. Edgard Blücher, KIME, C. R.; MANO, M. M. Logic and computer design fundamentals. 3 rd ed., New Jersey: Prentice Hall, MIDORIKAWA, E. T., et al. Projeto de circuitos com MAX+PLUS II. Apostila de Laboratório Digital. Escola Politécnica da USP, RANZINI, E.; HORTA, E. L. Lógica programável. Apostila de Laboratório Digital. Escola Politécnica da USP, Manuais da Altera. TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Digital Systems: principles and applications. 9 th ed., Prentice-Hall, WAKERLY, J. F. Digital design: principles and practice. New Jersey: Prentice- Hall, RECURSOS NECESSÁRIOS 1 computador PC 486, com 16 Mbytes, HD de 1 Gbyte. 1 impressora. programa MAX+PLUS II da Altera. Simulação de Circuitos (2005) 5

6 APÊNDICE A CONFIGURAÇÃO DO MAX+PLUS II PARA COMPILAR ARUIVOS VHDL Antes de iniciar a compilação de um projeto com VHDL, devemos fazer o seguinte ajuste do Leitor de Netlist: para usarmos o padrão VHDL 93, é necessário primeiro mudar o leitor de netlist (netlist reader) para que ele entenda o arquivo VHDL. Infelizmente, isto pode ser feito a cada arquivo novo a ser criado. O procedimento para ajustar o leitor de netlist é um pouco confuso. Para chegarmos à sua caixa de diálogo devemos primeiro abrir a janela do compilador. O modo mais fácil é ir ao menu MAX+plus II Compiler. Depois disto, o menu do leitor de netlist do VHDL está dentro do menu Interfaces VHDL Netlist Reader Settings. Clique em VHDL 1993 para habilitar o uso do padrão VHDL 93. Simulação de Circuitos (2005) 6

7 APÊNDICE B EDIÇÃO, COMPILAÇÃO, SIMULAÇÃO E PROGRAMAÇÃO DA DESCRIÇÃO VHDL Descrevemos aqui como uma descrição VHDL pode ser editada, compilada e depois simulada. 1. EDIÇÃO DA DESCRIÇÃO VHDL Uma descrição VHDL deve ser introduzida no MAX-PLUS II na forma de um arquivo de texto com extensão.vhd. Desta forma, iniciamos com a criação de um novo arquivo de texto com o acionamento do menu File New. Antes de começar a editar a descrição VHDL, devemos salvar o arquivo com a extensão correta (.vhd). Não é preciso modificar o campo Automatic Extension da janela. Simulação de Circuitos (2005) 7

8 Este salvamento faz com que o editor passe a reconhecer a linguagem VHDL de forma a introduzir automaticamente cores nos textos, diferenciando comentários, palavras reservadas, etc, conforme mostrado na tabela abaixo. cor verde azul preto vermelho significado comentários palavras reservadas outros caracteres válidos caracteres inválidos 2. CRIAÇÃO DE UM NOVO PROJETO Crie um novo projeto com a ativação do menu File Project Set Project to Current File. 3. COMPILAÇÃO DO PROJETO Compile a descrição VHDL com o menu File Project Save and Compile. Se houver um erro de compilação referente à versão de VHDL suportada pelo MAX-PLUS II siga o procedimento descrito no Apêndice A. Se o erro persistir, consulte o menu Help VHDL. 4. SIMULAÇÃO DO PROJETO A simulação do circuito descrito em VHDL pode ser executada com a criação das formas de onda dos sinais de entrada. O procedimento é o mesmo apresentado na apostila "Projeto de Circuitos com o MAX+PLUS II". Simule o circuito com vários valores de entrada, validando o seu funcionamento. Simulação de Circuitos (2005) 8