SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS E DISPOSITIVOS PROGRAMÁVEIS

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1 SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS E DISPOSITIVOS PROGRAMÁVEIS Edson T. Midorikawa / 2007 RESUMO Nesta experiência será discutido o procedimento de simulação de circuitos digitais, em particular sua importância dentro de uma metodologia para projeto de sistemas digitais. Serão abordados também princípios de dispositivos programáveis, como as CPLDs e FPGAs. 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 e a programação de projetos em dispositivos programáveis. O objetivo principal desta experiência é a familiarização com os procedimentos de simulação com uma ferramenta de software e uma breve introdução aos dispositivos programáveis. 1. PARTE TEÓRICA 1.1. Metodologia de Projeto de Sistemas Digitais 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 (Ranzini and Horta, 2000). 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). 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. Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 1

2 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 Dispositivos Programáveis Os dispositivos lógicos programáveis representam uma nova abordagem no processo de desenvolvimento de sistemas digitais. No passado, os projetistas tinham de usar apenas componentes digitais com "funções fixas" disponibilizados no mercado (contadores, decodificadores, deslocadores, etc). Os dispositivos programáveis permitem ao usuário definir uma função a ser desempenhado por um ou vários chips. As características mais marcantes destes dispositivos é a programabilidade e a alta capacidade, o que aumenta a eficiência e a flexibilidade dos projetos e, também, diminui o tempo de desenvolvimento do produto. (Dueck, 2001) Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 2

3 Lógica Programável Os projetistas de circuitos digitais têm à sua disposição uma grande variedade de CIs padronizados, com as mais variadas funções. O fato destes CIs serem fabricados por várias empresas e em grande volume fazem com que tenham um custo relativamente baixo. Por esta razão, a técnica muito comum para a implementação de projetos de sistemas digitais é a interconexão destes CIs padronizados. (Tocci, 2004) Apesar de ser amplamente empregado, a utilização de CIs padronizados na implementação de sistemas tem alguns problemas. Primeiro, alguns sistemas podem precisar de centenas ou milhares de CIs. Este grande número de CIs necessita de um espaço considerável em uma placa de circuito impresso, sem levar em conta o consumo de energia necessária para alimentá-las. Um segundo aspecto diz respeito com o tempo necessário para a montagem e testes das placas.uma grande quantidade de CIs necessários em um sistema resultam em um tempo maior para colocar e soldar estes componentes na de circuito impresso. E a manutenção é o terceiro aspecto. uanto maior o número de componentes, menor é a confiabilidade do sistema. Assim, o fabricante do equipamento deve manter um estoque considerável, dispondo de toda a variedade de CIs utilizados no circuito. Uma solução para estas questões é reduzir o número de CIs usados no projeto. Com isto teremos uma série de vantagens: um menor espaço na placa, um menor consumo de energia (fontes de alimentação menores), processos de fabricação mais rápidos e baratos, maior confiabilidade e uma manutenção mais fácil. Para reduzir o número de CIs a serem usados no projeto é necessário colocar mais e mais funções nos chips. É claro que isso tem sido feito com as tecnologias LSI, VLSI, ULSI e, mais recentemente, GSI, para funções padronizadas como memórias, microprocessadores, sintetizadores de voz, entre outros. Esses dispostivos contêm milhares a alguns milhões de portas lógicas conectadas para operar de um modo pré-determinado. Existem muitas situações para as quais não existem soluções LSI, VLSI, ULSI e GSI. Nesses casos, o projetista se vê obrigado a recorrer aos dispositivos SSI e MSI padrões para obter as funções necessárias. O recente desenvolvimento de uma nova categoria de dispositivos, conhecidos como dispositivos lógicos programáveis (PLD), ofereceu aos projetistas uma alternativa para substituir um grande número de CIs padronizados por um único CI. Esses dispositivos permitem especificar a sua operação lógica através de um processo chamado programação (Tocci, 2004). Tipos de Dispositivos Lógicos Programáveis Uma grande variedade de dispositivos programáveis foi desenvolvida nos últimos tempos. Podemos citar, por exemplo, os seguintes: (Tocci, 2004), (Wakerly, 2006), (Fregni e Saraiva, 1995) PROM (Programmable Read-Only Memory) precursor dos PLDs, a PROM pode gerar qualquer função lógica possível das variáveis de entrada. Contudo é usada apenas para um pequeno número de variáveis de entrada; PLA (Programmable Logic Array) desenvolvido em meados da década de 70, foi o primeiro dispositivo programável sem a estrutura interna da PROM, pois tanto a matriz das portas AND como a matriz das portas OR podem ser programadas. Não teve boa aceitação por parte dos projetistas; PAL (Programmable Array Logic) contém uma arquitetura interna similar a da PROM, sendo uma simplificação da PLA, pois apenas as conexões das entradas da matriz das portas AND são programáveis (a matriz das portas OR é fixa). É há muito tempo o tipo de dispositivo programável mais utilizado; CPLD (Complex Programmable Logic Device) combina vários dispositivos do tipo PAL em uma estrutura em forma de matriz. Os blocos lógicos têm conexões AND programáveis e conexões OR fixas. uando necessário, vários blocos lógicos podem ser combinados para implementar; FPGA (Field Programmable Gate Array) contém um grande número de blocos lógicos que podem ser programados independentemente. Esses blocos contêm lógica combinatória e registradores para circuitos seqüenciais; A Altera produz a família de CPLDs MAX7000S, em particular o EPM7128SLC84 que contém portas utilizáveis, 128 macrocélulas, 8 LABs, 8 pinos de I/O por LAB (totalizando 64 pinos de I/O). Linguagens de Descrição de Hardware Uma alternativa à entrada esquemática de um circuito digital em um sistema de projeto auxiliado por computador é utilizar a técnica de projeto de PLDs baseado em uma ferramenta de projeto baseado em Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 3

4 texto ou linguagem de decrição de hardware (HDL). Exemplos de HDLs são o AHDL (Altera Hardware Description Language) e os padrões VHDL e Verilog. O projetista cria um arquivo de texto, seguindo certo conjunto de regras, conhecido como sintaxe da linguagem, e usa um compilador para criar dados de programação do dispositivo lógico programável (PLD). Esta descrição de hardware pode ser usada para gerar projetos hierárquicos, ou seja, um componente definido em uma descrição pode ser usado para gerar um hardware específico ou ser usado como parte de outro projeto. Uma grande vantagem das HDLs em relação à entrada esquemática é que elas podem representar diretamente equações booleanas, tabelas verdade e operações complexas (p.ex. operações aritméticas). Linguagem VHDL O nome VHDL é um acrônimo de VHSIC Hardware Description Language. Já o termo VHSIC é o acrônimo de Very High Speed Integrated Circuit Assim podemos traduzir o nome VHDL como algo do tipo "linguagem de descrição de hardware para circuitos integrados de velocidade muito alta". A linguagem VHDL foi originalmente desenvolvida por empresas contratadas pelo governo americano e agora é um padrão requerido pro todos os ASICs (Application Specific Integrated Circuits) projetados para o exército americano. Ele foi padronizado pelo IEEE em 1987 (Padrão ou VHDL 87) e foi atualizado em 1993 (Padrão ou VHDL 93). Os trabalhos do IEEE continuam e uma nova revisão está em desenvolvimento (VHDL 200x). Todo arquivo VHDL requer ao menos duas estruturas: uma declaração de entidade e uma arquitetura. A declaração de entidade define os aspectos externos da função VHDL, isto é, os nomes das entradas e saídas e o nome da função. A arquitetura define os aspectos internos, isto é, como as entradas e saídas influem no funcionamento e como se relacionam com outros sinais internos. Um exemplo de uma descrição VHDL é mostrado a seguir. -- somador de 4 bits: descrição comportamental VHDL library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity somador_4bits is port(b, A : in std_logic_vector(3 downto 0); C0 : in std_logic; S : out std_logic_vector(3 downto 0); C4 : out std_logic); end somador_4bits; architecture comportamental of somador_4bits is signal soma : std_logic_vector(4 downto 0); begin soma <= ('0' & A) + ('0' & B) + ("0000" & C0); C4 <= soma(4); S <= soma(3 downto 0); end comportamental; Os sinais de entrada e saída são do tipo std_logic e std_logic_vector. O tipo std_logic é definido no pacote ieee.std_logic_1164 e pode assumir os valores 'U', 'X', '0', '1', 'Z', 'W', 'L', 'H' ou '-'. O tipo std_logic_vector representa um vetor de bits. O somador possui 3 sinais de entrada: A, B e C0, e 2 sinais de saída: S e C4. São usados dois operadores: + representa uma adição e & representa uma concatenação de bits. Assim, '0' & A representa um vetor de 5 bits contendo '0' A(3) A(2) A(1) A(0). Após a realização de uma operação de adição com os sinais de entrada, a descrição atribui o bit mais significativo de soma a C4 e os outros bits em S. Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 4

5 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 (criação de um projeto de circuito, compilação, simulação e programação) 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". DICA: Imprima a forma de onda obtida para ser anexada no relatório. c) Explique a forma de onda obtida a partir da simulação. d) Apresente as formas de onda esperadas para os sinais 1, 2, 3, 4 e A caso os flip-flops e a porta NAND não apresentassem atrasos de propagação. Compare-as com aquelas obtidas na simulação. e) ual foi a influência destes atrasos nos componentes na diferença nas formas de onda do sinal 4 dos itens (b) e (d)? f) Repita a simulação para um "grid size" maior (por exemplo, 1 ms) 1. Houve alguma mudança nas formas de onda? Analise Descrição VHDL e Programação de Dispositivo Programável a) Estude a descrição VHDL abaixo para um decodificador 3x8 e introduza comentários para cada linha. A descrição é baseada na função booleana de cada uma das saídas s do decodificador em função dos sinais de entrada x. 1 Não esqueça também de alterar o valor do parâmetro end time, que especifica o tempo de fim de simulação. Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 5

6 -- Descrição VHDL adaptada do livro "Projeto, Desempenho e Aplicações de Sistemas -- Digitais em Circuitos Programáveis (FPGAs)" -- Bless Gráfica e Editora Ltda., library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity dec3x8 is port( x: in std_logic_vector(2 downto 0); s: out std_logic_vector(7 downto 0)); end dec3x8; architecture arch_dec3x8 of dec3x8 is begin s(0) <= not(x(2)) and not(x(1)) and not(x(0)); s(1) <= not(x(2)) and not(x(1)) and x(0); s(2) <= not(x(2)) and x(1) and not(x(0)); s(3) <= not(x(2)) and x(1) and x(0); s(4) <= x(2) and not(x(1)) and not(x(0)); s(5) <= x(2) and not(x(1)) and x(0); s(6) <= x(2) and x(1) and not(x(0)); s(7) <= x(2) and x(1) and x(0); end arch_dec3x8; b) Com base na descrição acima, projete e elabore a descrição VHDL de um decodificador 4x16. DICA: chame a entidade dec4x16 e salve a descrição no arquivo dec4x16.vhd. c) Execute a simulação da descrição acima no MAX+PLUS II e verifique o seu comportamento de acordo com os procedimentos descritos no Apêndice B. Obtenha uma forma de onda semelhante ao da figura 2.2. Figura 2.2 Carta de tempo obtida pela simulação do decodificador 3x8. d) Faça a programação do decodificador 4x16 no dispositivo programável do painel de montagens experimentais. Use a apostila Projeto de circuitos com MAX+PLUS II para auxilia-los neste item. e) Teste o funcionamento do circuito usando as chaves C0 a C3 como entradas e os leds L0 a L15 como saídas. f) Comente eventuais acontecimentos no uso do MAX+PLUS II e na montagem experimental Perguntas a) ual é 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. d) Como o uso de dispositivos lógicos programáveis facilita o projeto de circuitos digitais? e) Compare o uso de linguagens de descrição de hardware, como o VHDL, no projeto de circuitos digitais. Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 6

7 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, ORDONEZ, E.D.M.; PEREIRA, F.D.; PENTEADO, G.; PERICINI, R.A. Projeto, Desempenho e Aplicações de Sistemas Digitais em Circuitos Programáveis (FPGAs). Bless Gráfica e Editora Ltda., 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. 4 th ed., New Jersey: Prentice- Hall, RECURSOS NECESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa, 5V ± 5%, 4A. 1 placa MAX7-PCS, com cabo para interface paralela. 1 computador tipo IBM-PC com software MAX+PLUS II. 1 impressora. Simulação de Circuitos e Dispositivos Programáveis (2007) 7

8 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 e Dispositivos Programáveis (2007) 8

9 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 e Dispositivos Programáveis (2007) 9

10 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 e Dispositivos Programáveis (2007) 10