Projeto Sistemas Digitais
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- Lídia Figueiroa Machado
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1 Projeto Sistemas Digitais Projeto de Sistemas Digitais: modelagem do algoritmo por fluxograma Implementações para Parte de Controle e Parte Operativa Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008
2 Modelagem: Algorithmic State Machine (ASM) Um fluxograma é um modo conveniente de especificar uma sequência de passos procedurais e caminhos de decisão para um algoritmo. Fluxograma para um algoritmo implementado em hardware necessita caracteristicas especiais que conecta ao hardware que implementa o algoritmo. Esse fluxograma especial é chamado de Algorithmic State Machine (ASM), onde state machine é usado aqui para denominar um circuito sequencial. Um fluxograma ASM descreve uma sequencia de eventos e a relação de tempo entre os estados da unidade de controle e as ações que ocorrem em cada estado em resposta aos pulsos de relógio. Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 /
3 Algorithmic State Machine (ASM) O fluxograma ASM contem 3 elementos básicos: Caixa de estado Caixa de decisão Caixa de saída condicional De uma caixa de decisão Operação de Registradores ou saída 0 1 condição Operação de Registradores ou saída Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 3/
4 Algorithmic State Machine (ASM) Caixa de estado A caixa de estado contem: operações de tranferência entre registradores ou sinais de saída que são ativados enquanto a unidade de controle está neste estado. O nome simbólico do estado é colocado no canto superior esquerdo normalmente e o o código binário do estado (quando for definido) é colocado no canto superior direito. Nome Código Operação de Registradores ou saída Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 4/
5 Algorithmic State Machine (ASM) Caixa de decisão A caixa de decisão descreve o efeito da entrada no controle. Possui dois caminhos de saída. A condição de entrada é uma única variável ou uma expressão boolena nesta caixa. Um caminho é escolhido caso a condição seja verdadeira (1) e o outro caso ela seja falsa (0). 0 1 condição Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 5/
6 Algorithmic State Machine (ASM) Caixa de saída condicional A caixa de saída condicional é unica do fluxograma ASM e sua entrada deve vir de uma ou mais caixas de decisão. Se a condição especificada em um caminho que passa pela caixa de decisão vindo de uma caixa de estado é satisfeito, a transferencia de registradores ou saída listada na caixa de saída condicional é ativada. De uma caixa de decisão Operação de Registradores ou saída Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 6/
7 Definição de Bloco ASM Um bloco ASM consiste de uma caixa de estado e todas as caixas de decisão e saídas condicionais conectadas entre a saida da caixa de estado e os caminhos de entrada para a mesma ou outras caixas de estado. O bloco representa decisões e ações de saída que acontecem no estado. Qualquer saída cuja condição é satisfeita no bloco ASM tem sua ativação no estado em questão. Qualquer transferência entre registradores, que acontece quando condições são satisfeitas, são realizadas quando o evento do clock acontece. Este mesmo evento do clock também transfere o controle para um dos proximos estados, como especificado pelas decisões do bloco ASM. Equivale a... estado Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 7/
8 Definição de Bloco ASM O fluxograma ASM é uma forma eficiente de representar diagramas de estados da parte de controle de circuitos sequenciais. Cada bloco ASM corresponde a um nodo do diagrama de estados. As caixas de decisão são equivalentes aos valores de entrada descritos nos arcos que conectam os estados do diagrama. As transferencias entre registradores e saídas nas caixas de estado são as saídas difinidas nos estados do diagrama de estados. As saídas nas caixas de decisão são as saídas condicionais descritas nos arcos que conectam os estados no diagrama de estados. Equivale a... estado R 0 START=1 PC 0 START=0 PC X Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 8/
9 Exemplo de um bloco ASM START=0 START=1 and Q 0 =0 A 0 MUL0 output: A is registered IDLE START=1 and Q 0 =1 A 0 MUL1 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 9/
10 Exemplo de Blocos ASM equivalentes Sabendo que: S1, S e S3 são nomes simbólicos dos estados X1 e X são entradas Z1 e Z são saídas Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
11 Exemplo de Erro em Laço Incorreto Correto Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
12 Exemplo de Blocos ASM equivalentes PARALELO SERIAL Equivale a 1 estado Equivale a 1 estado Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
13 Além de Atribuições Podemos definir operações mais complexas nas atribuições que serão implementadas por operadores (somadores, multiplicadores, etc...) fora da máquina de estados (parte de controle) e sim em uma parte operativa. Exemplos: Caixa de estado Caixa de decisão Caixa de saída condicional A F x B; B D+B+C-G 0 1 (A+B)/ Z (F/)xH; X D+B+C-xG Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
14 Exemplo de Implentações Precisa OPERADORES de: and or A+BC Não precisa de OPERADORES porem essa lógica de decisão é implementada na função de próximo estado na FSM Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
15 OBJETIVO De um ASM chegar ao circuito final (parte operativa e parte de controle) Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008
16 Exemplo - ASM:rami S0 A <= IN1; B <= IN; C <= IN3; S3 A >5 Out <= A; Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
17 Parte Operativa (Datapath)) do ASM:rami Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
18 Parte de Controle do ASM:rami Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
19 Modelo Parte Operativa Parte de Controle status E/S Operadores Registradores Conexões PO comandos Máquina de Estados PC E/S relógio Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
20 Considerações A partir do fluxograma pode-se obter um bloco de controle onde cada bloco ASM do fluxograma corresponderá a um estado no controle. (desperdício x tecnicas de otimização) Fluxograma possui operações factiveis do ponto de vista de sistemas digitais. Operações que podem ser realizadas em um ciclo de relógio. Decisão dos recursos disponíveis na parte operativa, interdependencia com o projeto da parte de controle. Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
21 Diferenças entre Linguagem X Hardware Custo das conexões Durante a simulação (Matlab, C, etc ), o custo de uma ligação entre uma variável e outra é gratuíta. Isto não reflete a realidade dos circuitos. A temporização ou o atraso dos componentes envolvidos no projeto está escondida quando se usa linguagem de alto nível. Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
22 Projeto do Bloco Operacional (PO) Conjunto de Registradores Rede de Interconexões Conjunto de Operadores Rede de Interconexões Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt 008 /
23 Conexões com Multiplexadores m registradores de n-bits cada Cada registrador tem um mux de m:1 de n-bits por entrada Se Cm é o custo de 1 mux :1 Custo total = m * Cm * (n-1) C0 C1 Cm-1 enr0 enr0 clk enr1 R0 R1 Rm-1 clk enrm-1 clk n*m bits Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
24 Conexões com Multiplexadores Transferências simultaneas = + paralelismo R0 R1 ao mesmo tempo que R Rm-1 C0 C1 C Cm-1 enr0 enr0 clk enr1 R0 R1 R clk enr clk enrm-1 clk Rm-1 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
25 Conexões com Barramento m registradores de n-bits cada Se Cb é o custo do buffer de 3 estados Custo total = m * Cb * n ou * m * Cb * n ENW0 ENW1 ENWm-1 R0 R1 Rm-1 clk clk clk ENR0 ENR1 ENRm-1 n bits Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
26 Conexões com Barramento Serialização das transferências Exemplo: R0 R1 ciclo de clock 1 ENW0 0 ENW1 ENW ENWm-1 ENR0 R0 R1 R clk clk clk ENR1 0 ENR clk ENRm-1 Rm-1 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
27 Conexões com Barramento Serialização das transferências Exemplo: R Rm-1 ciclo de clock ENW0 ENW1 ENW 0 ENWm-1 R0 R1 R clk clk clk ENR0 ENR1 ENR clk ENRm-1 0 Rm-1 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
28 Comparação Mux X Barramento Custo mux para inserção de registradores (m+1) * Cm * (n-1+m) : quadrádico em termos de m Custo barramento para inserção de registradores (m+1)*cb*n Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
29 Projeto da PO com MUX Determinar os recursos a serem disponiveis na PO para determinar o paralelismo das operações. 1. Montagem da tabela de transferência: tabela onde cada variável parece em uma coluna e as linhas são ordenadas pelo estado. Todas as operações que mudam a variavel naquele estado são registradas.. Alocação de variáveis em registradores. Determinar quantas variaveis irão ser alocadas em registradores tentado minimizar o numero de registradores diferentes. (register alocation and life-time analysis) 3. Escolha dos operadores necessários Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
30 Exemplo: Multiplicador por somas sucessivas Idle 0 start 0 1 AR Início P 0 AR A BR B ACC 0 R ACC P 1 0 S1 BR 1 1 ACC ACC + AR BR BR - 1 done Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
31 Exemplo: Multiplicador por somas sucessivas Parte Operativa A LAR AR Resetacc ACC R LACC B MB 0 1 LBR BR =0 CAR Parte Controle Start=0 Somador Start=1 LAR=1, MB=0, LBR=1, resetacc=1 LACC=0, P=0 Subtrator =0 CBR Idle S1 done CAR=0 e CBR=0 LAR=0, MB=1, LBR=0, resetacc=0 CAR=1 ou CBR=1 LACC=1, P=0 LAR=0, MB=1, LBR=0, resetacc=0 LACC=0, P=1 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
32 PO com operadores e mux p/ multiplicação Diminuindo o Paralelismo B A Reset AR 1 ACC BR R =0 =0 FSM: 4 estados ( estados no laço) Somador/Subtrator +/- Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
33 PO com Barramento p/ multiplicação E/S cargar1 AR BR ACC R1 R 1 transferência por ciclo cargar Função +/- e = Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
34 PO com Barramento p/ multiplicação E/S AR ACC R1 cargar1 R E/S BR cargar Função +/- e = transferências por ciclo Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
35 Exemplo: Multiplicador Binário 1 shift Variável K shift 3 shift 4 shift Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
36 Exemplo: Multiplicador Binário Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
37 Exemplo: Multiplicador Binário Recursos da parte operativa: registrador deslocamento e somador shift Start=1 Load=1 M=1 Ad=1 O K vem de um contador K=1 Start=0 S0 S1 S S3 idle M=0 Ad=0 Sh=1 done K=0 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
38 Projeto Bloco de Controle (PC) Estado Atual Função de Saída Função Próximo Estado Status Entrada Externas Parte Operativa Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
39 Temporização PC-PO PO Relógio Estado Atual Função Saída Parte Operativa Função Prox. Estado f = 1 t p FF + T p FS + tp PO + t p FPE + t set FF Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
40 Projeto Bloco de Controle (PC) Estado Atual Função de Saída Função Próximo Estado Entrada Externas Status Parte Operativa Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
41 Temporização PC-PO PO Relógio Estado Atual Função Saída Parte Operativa Status Função Prox. Estado f = 1 t p FF + T p FS + tp PO + t p FPE + t set FF Maior numero de estados na PC Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
42 Controle de Carga do Registrador relógio Condição R1 condição R1 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
43 Exemplo: Extrator de Raiz Quadrada Numeros inteiros e positivos Ler X -- inicialização R=1; d=; s=4, t=1; Enquanto (t==1) { r=r+1; d=d+; s=s+d+1; t=ac(s,x); } devolve(r); } ac(a,b) semsinal a, b; { Se (a<=b) retorna (1); Senão retorna (0); } clk reset start x Extrator Raiz Quadrada ready r Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
44 Exemplo: Extrator de Raiz Quadrada Idle S1 0 start 0 t S Raiz 1 Raiz dado 1 R=1; d=; s=4, t=1 r r+1; d d+; s s+d+1; done Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
45 Projeto Parte de Controle Idle S1 0 S0 start 1 Raiz dado r=1; d=; s=4 0 t S Raiz 1 r r+1; d d+; s s+d+1; done Start=0, t=x Start=1, t=x t=x, start=x t=0, start=x Idle? S0 S1 done t=1,??? start=x Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
46 Projeto Parte Operativa dado Resetr Resetd Resets LDRaiz LDr LDd LDS Raiz r d s 1 0 somador 0 somador 1 somador t Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
47 Projeto Parte Operativa Admitindo o tempo de propagação do somador > que o comparador dado Resetr Resetd Resets LDRaiz LDr LDd LDS Raiz r d s 1 0 somador 0 somador Atraso máximo entre dois registradores 1 somador t Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
48 Projeto Parte de Controle Start=x, t=x Start=0, t=x Start=1, t=x t=x, start=x t=0, start=x Idle S0 t=1, start=x Resetr =1 Resetd = 1 Resets = 1 LDRaiz = 0 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 0 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 1 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 0 S1 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 0 LDr = 1 LDs = 1 LDd = 1 done Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 0 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 0 Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
49 Exemplo: Extrator de Raiz Quadrada Opção Idle S1 0 start 0 t S Raiz 1 1 S0 Raiz dado r=1; d=; s=4 S r r+1; d d+; done S3 s s+d+1; Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
50 Projeto Parte de Controle Idle S1 0 S0 start 1 Raiz dado r=1; d=; s=4 0 t S Raiz 1 r r+1; Sd d+; Start=0, t=x Idle? S3s s+d+1; done t=1, start=x Start=1, t=x t=x, start=x S0 S1 S S3???? done t=0, start=x Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /?
51 Projeto Parte Operativa dado Resetr Resetd Resets LDRaiz LDr LDd LDS Raiz r d s 1 Ca Cb Cin somador t Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
52 Projeto Parte Operativa Admitindo o tempo de propagação do somador > que o comparador dado Resetr Resetd Resets LDRaiz LDr LDd LDS Raiz r d s 1 Ca Cb Cin somador t Atraso máximo entre dois registradores Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
53 Projeto Parte de Controle Start=0, t=x Start=1, t=x t=x, start=x t=0, start=x Idle S0 S1 S S3 done Resetr =1 Resetd = 1 Resets = 1 LDRaiz = 0 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 0 Ca = 0 Cb = 00 Cin = 0 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 1 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 0 Ca = 0 Cb = 00 Cin = 0 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 0 LDr = 1 LDs = 0 LDd = 0 Ca = 0 Cb = 01 Cin = 0 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 0 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 1 Ca = 1 Cb = 00 Cin = 0 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 0 LDr = 0 LDs = 1 LDd = 0 Ca = 1 Cb = 10 Cin = 1 Resetr =0 Resetd = 0 Resets = 0 LDRaiz = 0 LDr = 0 LDs = 0 LDd = 0 Ca = 0 Cb = 00 Cin = 0 t=1, start=x Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
54 Exemplo: Extrator de Raiz Quadrada Opção 3 - Barramento Idle S1 0 start 0 t S Raiz 1 1 S0 Raiz dado r=1; d=; s=4 S r r+1; d d+; done S3 s s+d+1; Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
55 PO com Barramento p/ raiz quadrada E/S EnRRaiz EnWRaiz Resetr Resetd Resets Raiz r d s EnRr EnWr EnRd EnWd EnRs EnWs R1 R cargar1 EnRSoma somador cargar 1 transferência por ciclo Disciplina: CMP38 Profa. Dra. Fernanda Gusmão de Lima Kastensmidt /
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