Tartalom

• Logikai áramkörök elmélete hülyéknek
• Könyvek
  • VHDL oktatási segédlet 1.13
  • Free range VHDL - Bryan Mealy, Fabrizio Tappero - freerangefactory.org
  • Mikrovezérlő programozása assembly nyelven
• Téma 1 - bevezetés, FPGA alapok
• Téma 2 - FPGA áramkörök szerkezete
  • Vivado projekt
• Téma 3 - Áramköri leírási modellek és hierarchikus alrendszerek
  • Multiplexer áramkör
  • Digitális rendszerek absztrakciós szintjei (tranzisztor, kapu, regiszter, processzor)
• Téma 4 - FPGA alapú tervezés lépései és a VHDL programok szerkezete
• Téma 5 - VHDL szekvenciális kifejezések
  • a processekről, szekvenciális áramkörökről, D típusú tárolókról
  • a SIGNALokról
  • változók szerepe
  • IF feltétel - számláló megvalsóítása IFfel
  • CASE és multiplexer áramkör CASE használatával
  • WAIT
  • jelre várakozás WAIT ONnal
  • adott ideg várakozás WAIT FORral
  • ciklusok: LOOP, FOR/LOOP, WHILE/LOOP, EXIT, NEXT
  • felhasználási példa: véges állapotú automata
• Téma 7 - Konkurens VHDL utasítások
  • Szekvenciális VS konkurens utasítások
  • Generate
  • Package
• Téma 8 - Tesztelés - eredeti pdf
  • Tesztkörnyezet konfigurálása
• Téma 9 - System Generator alapú hardver tervezés
• Téma 10 - Hardver ko-szimuláció
• Téma 11 - Magas szintű szintézis - Bevezető
• Téma 12 - Magas szintű szintézis II
• Téma 13 - Magas szintű szintézis III

---

Logikai áramkörök elmélete hülyéknek

Az eredeti a Sulineten: Logikai áramkörök információelméleti alapjai alább ennek a jegyzete.

Két fizikai mennyiség (áram, feszültség) egymással való leképezése lehet

• analóg: a leképző mennyiség változása folyamatos, tehát bármilyen értéket felvehet
• digitális: a leképző mennyiség változása nem folyamatos, hanem ugrásszerű, tehát csak diszkrét értéket vehet fel. Ezt használjuk a digitális technikában, azaz az integrált áramkörökben amirtől G.Moore híres megállapítása született. Mindkét esetben az időben lefolyás függvénykapcsolattal megoldható.

Bináris számrendszer röviden

Mivel a kétállaopotú áramkörben a kettes számrendszer a legkönyebben alkalmazható így nem megkerülhető számunkra. Egy bináris szám megadása: * ahol a=0 vagy a=1

Átváltás 10esből 2esbe:

Átváltás 2esből 10esbe:

Hogyan lesz az információból adat és az adatból kód

Az infomráció alapvetően bizonyos fokú tájékozatlanságot szüntet meg és szimbólumokból áll, a beszéd esetében szavak, írás esetében betűk és így tovább. Így az információ digitális rendszerekben való formája az adat, ami a logikai áramkörökben kód formájában jelenik meg, azaz kódolás tehát két szimbólumhalmaz egymáshoz rendelése. Erre több módszer is rendelkezésünkre áll, van amelyik egy menetben végzi el a kódolást: BCD, Aiken stb, vag több menetben mint a Johnson vagy a Gray kód. Mivel a jel minősége romolhat, azaz a bináris helyiértékekben változás történik ezért a kód redundanciát növeljük, azaz, olyan plusz biteket adunk hozzá ami vagy ellenőrzik a hibát, vagy ki is javítják. Ellenőrzésre alkalmas a paritás bit, míg javításra több speciálisan használt paritás bit használható, például a Haming féle távolság segítségével.

Logikai függvények

Az időfüggetlen logikai függvények közös jellemzője, hogy a függő (kimeneti) változó értéke csak a független (bemeneti) változó értékétől függ. Az ilyen típusú függvényeket valósítják meg a kombinációs logikai hálózatok.

Az időfüggő logikai függvények jellemzője, hogy a függő (kimeneti) változó aktuális értékét nemcsak a független változók adott időpontban felvett értéke, hanem más időpillanatban felvett értékei is meghatározzák. Ez azt jelenti, hogy az események sorrendje is befolyásolja a kimenet állapotát. Az ilyen típusú függvényeket megvalósító hálózatokat nevezzük szekvenciális hálózatoknak.

• Diszjunktív szabályos alak olyan logikai függvény, amely mintermek VAGY kapcsolatából áll.
• Konjunktív szabályos alak olyan logikai függvény, amely maxtermek ÉS kapcsolatából áll.
• Term: a független változók azon csoportja, amelyeket azonos logikai kapcsolatra jellemző szimbólummal kapcsolunk össze.
• Minterm: a független változók logikai ÉS kapcsolata, amelyben minden változó (igaz vagy tagadott formában) egyszer és csakis egyszer szerepel.
• Maxterm: a független változók logikai VAGY kapcsolata, amelyben minden változó (igaz vagy tagadott formában) egyszer és csakis egyszer szerepel.

Logikai hálózatok

A felhasználás jellegétől függően ugyanazt a műszaki feladatot diszkrét elemekkel (jelfogó, dióda, ellenállás, tranzisztor) felépített hálózattal, vagy integrált áramkörökkel is megoldhatjuk. A tervezés során meghatározzuk, hogy a megvalósításhoz szükséges logikai függvények eredménye a bemeneti változókon kívül függ-e az események bekövetkezési sorrendjétől. A kombinációs hálózatok időfüggetlen logikai függvényeket valósítanak meg. A sorrendi (szekvenciális) hálózatok időfüggő logikai függvényeket valósítanak meg, ezek memóriával is rendelkező logikai áramkörök. A sorrendi (szekvenciális) logikai hálózatban a bemeneti logikai változók kapcsolatban vannak a kimeneti logikai változókkal, vagyis a rendszerben visszacsatolás van. A kimeneti jel függ az események sorrendjétől.

Logikai kapuk

A kombinációs hálózatok legfontosabb tulajdonsága, hogy a bemeneti események az időtől függetlenül egyértelműen meghatározzák a kimeneti eseményeket. Logikai kapuknak (logic gates) nevezzük a logikai alapfüggvényeket megvalósító áramköri elemeket. Egy digitális integrált áramkörben – az áramkör bonyolultságától függően – egy vagy több logikai kapu található. A továbbiakban az alapműveleteknek megfelelően bemutatjuk a különböző logikai kapuk rajzjelét és igazságtáblázatát

ÉS kapu

NEM kapu

VAGY kapu

ÉS-NEM (NAND) kapu

NAND kapcsolatot megvalósító áramköri elem. Tehát a NAND kapu kimenő jele akkor és csakis akkor 0, ha mindkét bemenő jel értéke egyidejűleg 1 értékű, ezért a NAND kapu bemenetén a 0 jel a meghatározó.

VAGY-NEM (NOR) kapu

NOR kapcsolatot megvalósító áramköri elem. Tehát a NOR kapu kimenő jele akkor és csakis akkor 1, ha mindkét bemenő jel értéke egyidejűleg 0 értékű, ezért a VAGY kapu bemenetén az 1 jel a meghatározó.

Ekvivalencia kapu

Az EKVIVALENCIA kapu kimenő jele akkor 1, ha a bemenő jelek logikai értéke megegyezik. A kapu a logikai hálózatok leegyszerűsítését szolgálja.

ANTIVALENCIA (KIZÁRÓ-VAGY) kapu

kimenő jele akkor 1, ha a bemenő jelek logikai értéke különböző.

A funkcionálisan teljes rendszer

Funkcionálisan teljes rendszernek nevezzük azokat a logikai függvényeket, megvalósító kapukat, amelyekből bármilyen tetszőleges hálózat megvalósítható. A funkcionálisan teljes rendszer másik fontos előnye, hogy a logikai áramkör megvalósításához csak meghatározott típusú kapuáramkör szükséges.

NEM-ÉS-VAGY rendszer: Tetszőleges logikai függvény kifejezhető az ÉS, a VAGY és a NEGÁCIÓ műveletet megvalósító logikai kapuk megfelelő kombinációjával. Gyakorlati megvalósítás szempontjából a nem terjedt el, mivel áramköri szempontból sokkal egyszerűbb az ÉS és a VAGY kapu helyett a NEM-ÉS (NAND), illetve a NEM-VAGY (NOR).

NAND-rendszer: Tetszőleges logikai függvény kifejezhető a NEM-ÉS (NAND) műveletet megvalósító logikai kapuk megfelelő összekapcsolásával. Az ilyen áramköri megvalósítást nevezzük NAND-rendszernek.

Kétszintes hálózat: Ha a bemeneti változók a kimenetre két kapuáramkörön keresztül jutnak el, akkor kétszintű hálózatról beszélünk. Háromszintű logikai hálózat: Ha egy diszjunktív vagy konjunktív alakban megadott logikai függvényt – újabb logikai művelettel – egy vagy több másik függvénnyel bővítjük, akkor az új logikai függvény már nem valósítható meg kétszintű hálózattal. Az ilyen típusú logikai függvényeket megvalósító hálózatokat többszintű logikai hálózatoknak nevezzük. Négyszintű logikai hálózat:

---

Téma 1 - bevezetés, FPGA alapok

CLB - konfigurálható logikai tömbök amiket a

switch matrix - összekötő vezeték köt össze az

IOB modulokkal - amik a jelek ki/be vitelére használhatóak

RAM alapú FPGAba a bekapcsolás után be kell konfigurálni a bitfolyamot ami meghatározza, hogy milyen útvonalon áramlanak a jelek a CLB, azaz a logikai tömbök belsejében. Ezért ez lehet egyszer, vagy többször programozható.

Modulok:

fájl: MEMÓRIA ELEMEK.png

• konfigurálható logikai tömbök: logikai kapuk, kereső táblázat, osztott memória, bistabil áramkörök, multiplexxer áramkörök.
• ki/be meneti tömbök
• blockRAM (BRAM)
• digitális jelfeldolgozó modul (DSP) vagy szorzó áramkör (MUL)
• órajel menedzselő áramkör (DCM - digital clock manager)
• beágyazott processzormagok
• Gigabit tranceiver modulok

Alkalmazásának előnyei

Teljesítmény

• hardveres párhuzamosítás => órajelenként több művelet, ki/be menet hardverszintű vezérlése => gyorsabb vezérlés Piacra kerülési idő
• gyors modellezés Költség
• olcsóbb mint az ASIC Megbízhatóság
• több a bsztrakciós réteg => jobb folyamat ütemezés => minimális megbízhatósági aggály Hosszútávú karbantartás
• elég az FPGA újrakonfigurálása, nem szükséges az áramkör újratervezése

=> magas fokú párhuzamosítás

=> pipeline és párhuzamos pipeline

=> műkődés közbeni újrakonfigurálás

=> jó sebesség

=> időkritikus egységek külön hardveregységben

=> egyszerű illesztés létező eszközzel

Mi valósítható meg FPGA-ban?

• állapotautomaták, adatutas automaták
• beágyazott processzort tartalmazó rendszerek akár operációs rendszerrelhttps://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Boolean_Expression_Language
• kapcsolási rajz laapú tervezés

FPGA programozhatóság

Nyelvek:

• VHDL
• Verilog
• ABEL
• ABELHDL
• C, C++, System C
• Matlab
• Xilinx

• egyszer/többször programozható
• indulás master/slave módban
• működés közbeni újrakonfigurálás: részleges, dinamikus újrakonfigurálás / teljes átkapcsolás
• magas szintű programozási nyelvek (HLS) alkalmazása

---

Téma 2 - FPGA áramkörök szerkezete

Ebben a részben a hallgató megismerheti az FPGA áramkörök szerkezetét, a fontosabb részeit, valamint egy FPGA áramkörben megtalálható vezetékhálózatokat. A téma keretében szemléltetjük a feladatnak az FPGA áramkörbe való programozásának lehetséges változatait.

AZ FPGA elemei:

• konfigurálható logikai tömbök (CLB)
  • LUT kereső táblázat (look up tables)
  • Bistabil áramkörök
  • osztott RAM
• I/O gyűrű
  • kétirányú adatfolyam
  • 3 state logika
  • DDR (Double Data Rate) regiszterek
• Funkcionális blokk
  • Block RAM
  • Multiplier blocks
  • DCM (digital clock manage) modul

BRAM (Block RAM) modulok

• oszlopokba szervezve konfigurálható logikai tömbök (CLB) mellett
• különálló egységként, rugalmasan méretezhető az adatsínszélesség/címtartomány
• alkalmazható kétportos memóriaként
• Spartan 3E -> 1 BRAM = 18 Kbit
• biztosítja az adatfolyamot a DSP/szorzó áramköröknek

LUT táblázat

• Logikai függvény megvalóstása
• Osztott memória
• Léptető regiszter

DCM

• különböző órajelek szétosztása, szintézise
• órajelek stabilizálása, szinkronizálása

CLB

• elemei: LUT kereső táblázat, Bistabil áramkör, logikai kapuk, multiplexer áramkörök

• egy CLB 4 szeletet tartalmaz

• bal oldali szelet (SLICE M): memória elemeket is tartalmaz => osztott memória, a kerresőtáblázat használható 16 bites shiftregiszternek

• jobb oldali szelet (SLICE R):

• keresőtáblázat: logikai függvények (LUT) megvalósítására

• multiplexer áramkörök

• az adatok balról jobbra, lentről flelfele áramlanak

• osztott memória: pár bit memória szétosztva a logikai tömbökre

IOB

• adatfoylam vezérlés I/O láb és belső logika között
• kétirányú adatfolyam
• magas impedanciás kimenet alkalmazása
• kimenet/bemenet/kibemenet
• felhúzó/lehúzó ellenálások alkalmazása

megkülönböztetve: kimeneti/bemeneti/magas impedancia

Erőforrás készlet

• több áramkör áll rendellkezésre
• adatok: konfigurálható tömbök száma, DCM, DRAM, BRAM, ki/beneeti lábak,

BRAM

adattárolásra szolgál max: 18 Kbit kiseb sínszélesség mellett, több címbit/ szélesebb adatbit adatbitek: egyszerű adatbit: DI/DO

• ha duplázzuk az adatbiteket akkor csökkenteni kell a címbiteket
• csak a 8-16 sínszélesség mellett használható a paritásbitek
• dualportos memória alklmazás: mind a két egyportos memórialkalmazásnál növeljük a memória méretét

WE - írás engedélyezése EN - órajel engedélyezése CLK - órajel DI - bemeneti adatvonalak DO - kimeneti adatvonalak DIP - bemeneti paritás bit DOP - kimeneti paritás bit

WRITE_FIRST - először írás READ_FIRST - először olvasás NO_CHANGE - csak írás

• olvasás esetén EN = '1'
• írás esetén WE = '1'

Huzalozás

a CLB-k kapcsolására töb lehetőség van:

• közvetlen: egy CLB közvetlen a bal-jobb, felső-alsó tömbhöz
• függőleges/vízszintes hex huzalozás

Órajelek

DCM: Digitális órajel menedzser

• órajel bemenetek
• órajel buffer az órajelek szétosztására az órajelek között, mert különböző órajelekre van szükség => órajelek szétosztása, késleltetése külső órajel bemenetek/half clock bemeneteken külső órajele megadása
• BUFG
• BUFGMUX
• BUFGCE

FPGA konfigurálása

Bit file: konfigurációs fájl

• konfigurációs adat: meghat a programozható logikai elem állapotát

• konfigurációs parancs: meghat, hogy az adattal mit kezdjünk

• küön hálózat a konfigurálásra, amin keresztül minden egyes komponens elérhető a hálózaton

• JTAG interfészen feltöltés

• soros/párhuzmos feltölés

FPGA tesztelése JTAG interfészen

• TDI bemeneti adatvonal -> itt lehet betölteni az adatokat az áramkörbe
• TDO az adatok visszaolvasása
• TMS parancsok küldése a rendszerre
• TRS JTAG modul kezdőállapotba szinkronizálása
• TCK órajel

Vivado projekt

VHDL fájl felépítése:

megjegyzés --

entitások

entity [NÉV] is 
    Port(...);
end [NÉV];

architektura rész

architecture Behavioral of [NÉV] is 
-- deklarációs rész
begin
-- implementációs rész
end Behavioral;

---

Téma 3 - Áramköri leírási modellek és hierarchikus alrendszerek

A fejezetben a hallgató megismerheti az FPGA alapú áramkör tervezésnél alkalmazott áramköri modelleket és absztrakciós rétegeket. Egy áramkört tekinthetünk fekete doboznak, amelynek nem ismerjük a belső felépítését, szerkezetét, de ismerjük a viselkedését. Ismerjük a bemenetek és kimenetek közötti összefüggést. Egy másik megközelítés, hogy ismerjük a részletes felépítését, modulárisan milyen alegységeket, modulokat, komponenseket tartalmaz és a komponensek közötti kapcsolatokat. Egy áramkörnek a tervezés során meghatározhatjuk a viselkedését vagy felépíthetjük az áramköri elemekből, amely ugyanazt a viselkedést eredményezi.

Egy elektronikus hardver különböző absztrakciós szinten írható le. A tervezendő hardver rendszer specifikációja során, általában, egy magasabb hierarchikus szintről lépegetve alacsonyabb hierarchikus szintekre, eljutunk az áramkör hardver szintű megvalósításáig.

Ismerve a hierarchikus szinteket és megértve az áramkör leírási modellek (strukturális, viselkedési) közötti összefüggéseket, a hallgató átlátja a különböző specifikációs modellekből kiindulva a hardver kialakítását.

Viselkedési modell

• leírja a rendszer vagy részrendszer viselkedését
• úgy tekint a rendszerre akár egy fekete dobozra
• bemeneti és kimeneti adatok összefüggéseire koncentrál

=> bemeneti portok => vezetékek => modell komponensei => kimeneti portok

EDA - Electronic Design Configuration

• nem kell mindne szintet pontosan definiálni
• elegendő a tervezést a legfelsőbb siznteken elvégezni
• => EDIF (Ectronic Design Interchange Format) - semleges adatcsere formátum => automatizált elektronikus tervezés
• EDAXML
• NGC (native GEneric Circuit) - Xilninx saját formátum

Netlist

felsorolja a komponeneseket

Fizikai nézet

• hardver erőforrásokat ábrázol
• újabb fizikai információkkal bővíti a strukturális nézetet: alkatrészek mérete, helye, összekötő vonalak

Multiplexer áramkör

LUT3 - Q_F

O = ((I0 * I2) + (!I0 * I1));

LUT3 - Q_G

O = ((I0 * I2) + (!I0 * I1));

4 bemenetes multiplexer áramkör megvalósításához:

• két keresőtáblázat
• egy két bemenetes multiplexer áramkör -> függvényben kijelöli, hogy melyik LUT eredményét alklamazza a LUT elemekben szintén 2 bementes multiplexer áramkör, keresőtáblázatokban a multiplexert leíró Boole függvény.

=> bemeneti buffferek => adat bementek/kiválasztó bemenetek => kimenetei bufferek egy multiplexer megvalósítás és még több lejebb a case utasításnál: [CASE](https://github.com/gabboraron/ujrakonfiguralhato_digitalis_aramkorok/blob/master/README.md#case)

Digitális rendszerek absztrakciós szintjei

Absztrakciós szintek

Tranzisztor

• alap elemek: tranzisztor, ellenállás, kondnezátor, tekercs
• viselkedése differenciál egyenletekkel van leírva
• digitális áramkör = analóg áramkör
• a jel időben változó
• a gyártó feladata

Kapu

• logiaki kapukból áll
• a jelek 1 vagy 0-k
• bemeneti-kimeneti kapcsolatokat Boole egyenletekkel írjuk le
• időzítéssel kapcsolatos információk egyszerűsítve: propagation delay fizikai nézetben: a kapuk elhelyezése, a kapukat összekötő vonalak huzalozása

Regiszter

• kapukból épített modulok
• összeadók, komperátorok, tárak, regiszterek, multiplexerek
• jelek speciális adatként: unsigned integer, float, stb..
• véges állapotú automata írja le
• strukturális nézet: kettes komplemensű bitsorozat
• jelek továbbítására alkalmazott sínrendszer

Processzor

• processzorok, memória, sínrendszer
• leírás: a program sázmolási lépéseivel, folyamatokkal
• IP alaprajz feleltethető meg neki a fizikai tarotmányban alaprajz: logiaki cellák + makrocellák és összeköttetéseik

Y diagram (modul floorplan, alaprajz)

• absztrakciós szintek és nézetek két külön dimenzió
• minden szint saját nézete

---

Téma 4 - FPGA alapú tervezés lépései

fájl: 4. ppt

Ebben a részben a hallgató megismerheti az FPGA alapú tervezés lépéseit, tervezési módszereket és a tervezés különböző fázisaiban alkalmazható ellenőrzési módszereket.

A hallgató egy átfogó képet kap a tervezés különböző fázisai után alkalmazható tesztelési módszerekről. A téma elsajátítását követően a hallgató képes lesz a tervezőeszközben alkalmazni az ellenőrzés különböző szintjeit.

Szintézis

• Magas szintű
  • átalakítja a regiszter műveletekre (regiszter szintű leírásra)
• Regiszter szintű
  • regiszter szintű viselkedési leírás analízise alapján felépíti az áramkört a regiszter szintű elemeket használva
• Kapu szintű
  • a strukturális megvalósítás kapu szintű elemekre épül
  • két vagy többszintes optimalizálási eljárás alklamazása az áramkör méretének minimalizálására
• Technológiai leképezés
  • minden rendszer tartalmaz előre lekészített kapu szerű primitív elemeket amiket egy cella standard célkönyvtárból vagy logikai cella az FPGA rendszeréből
  • a kapu szint implementálásához egy partikuláris rendszeren az elemeket le kell képezni a kiválasztott célrendszerre => ez a technológiai leképezés

Fizikai tervezés

• finomítási folyamat
• Particionálás
• Alaprajzi tervezés
  • létrehoz egy tevet processzor és regiszter szinten
• Elehelyezés és huzalozás
  • terv cella szinten, az áramkör primitív elemeiből és elvégzi a huzalozást
• circuit parameter extraction
  • az elhelyezés és routolás után mind kapcsolat helye és hossza ismert
  • az asszociált parazita kapacitás és ellenállás kiszámítható

Ellenőrzés

• funkcionális: a rendszer az elvárt kimenetet szolgáltatja?
• időzítés: teljesíti az időbeli korlátokat?
• teljesítmény: betartja a részegységek meghatározott áramkorlátokat?

Ellenőrzési módok:

• szimuláció
• időanalízis
• teljesítmény analízis
• hardver emuláció
  • prototípus áramkör FPGA-n
  • beépített analizátor

FPGA alapú tervezés fontosabb lépései:

Szintézis

• Kapu szintű
• regiszter szintű
• processzor szintű

• Szintézis során a VHDL vagy Verilog programkód lefordítódik netlist (NGC - Native Generic Circuit vagy EDIF-Standard Electronic Interchnage Format) formátumra. Szintetzáció során a HDL leírás kapu sizntű netlist állománnyá amit az UNISMkönyvtárra képez le.
  • több alegység esetén minden alegységhez tartozik egy ilyen állomány
    • szintaxis ellenőrzés
    • analizálja a terv hierarchiáját

Implementáció

Fordítás

• több külöböző hardver leíró nyelven készítettállomány egyesítése egyelten netlist(EDIF) fájlba
• kombinálja az NGC fájlokat és a megkötéseket User Constraints File amiből létrejön egy logikai fájl, az NGD - Native Generic Database az NGD Build segítségével.
  • a User Constraints File hozzárendeli a ki/bemeneti portokat az FPGA lábakhoz és meghatározza az időzítési követelményeket => Ha az NGC az UNISM könyvtárra alapoz akkor szintézis után viselkedési szimulációt végez

=> Ha az NGD az SIMPRIM könyvtárra alapoz akkor fordítás után időalapú szimulációt végez

leképezés/mappolás

NGD => leképezés => NCD

• a logikai elemeket tartalmazó áramköröket alegységekre osztja
• az NGDben definiált logikát képzi le az FPGA elemeire: CLB, IOB, Block RAM, DSP, stb ami egy NCD - Native Circuit Description állományt generál, amely leírja fizikailag az áramkör elemeit
• ismerjük az FPGAból, hogy milyen elemket használunk, csak nem tudjuk melyiket, ezt oldja meg a MAP

elhelyezés és huzalozás (Place and route)

NCD => elhelyezés és huzalozás => huzalozott NCD

PAR program végzi

Az előző fázis eredményeként kapott alegységeket elhelyezi az FPGA blokkba, figyelembe véve a megkötéseket, és összehuzalozza ezeket.

A folyamat során figyelmebe veszi és feloldja a kényszerfeltételek közti ellentéteket.

Konfigurációs fájl létrehozása

Az eszköz beprogramozása: BITGEN program generál az NCD ből BIT típusú állományt ami feltölthető az FPGAba egy feltöltő programmal mint az IMPACT

Ellenőrzés

• Szimuláció
  • viselkedési
  • funkcionális
    • fordítás után
    • leképezés után
  • időzítési
    • elhelyezés és huzalozás utáni
• verifikáció
  • logikai analizátor
  • Hardver co-szimuláció

VHDL programok szerkezete

fájl: ppt 5

A fejezetben a hallgató megismerheti a VHDL program szerkezetét: alkalmazott könyvtárak meghatározása, tervezett modul portjeleinek meghatározása valamint a tervezett hardver strukturális szinten vagy viselkedési szinten való leírása.

A HDL egy speciális számítógépes programozási nyelv, amelyet elektronikus áramkörök, a leggyakrabban digitális áramkörök, struktúrájának és viselkedésének a leírására

Egy tervezőeszköz alkalmazásával lehetővé teszi a HDL-leírás szintetizálását netlist formátumba. A netlist formátum tartalmazza az elektronikai komponensek specifikációját és azok összekapcsolását. A netlist állományban meghatározott komponensek elhelyezhetőek és huzalozhatóak az FPGA áramkörben a céláramkör létrehozására vagy alkalmazható maszkok létrehozására és az integrált áramkör legyártására. Összehasonlítva programozási nyelvekkel, a HDL nyelvek magukba foglalják az idő fogalmát.

A HDL programozási nyelvek szerves részét képezik az EDA (Automatizált Elektronikus Tervezés) rendszereknek.

A VHDL és a Verilog a leggyakrabban alkalmazott, digitális rendszerek tervezésére használt hardver leíró nyelv. A kurzus során a rendszerek tervezésére a VHDL-t alkalmazzuk. A VHDL-ből könnyen át lehet térni a Verilog alapú tervezésre.

A VHDL hardver leíró nyelv alkalmazásával, CPLD makro cellákból és FPGA áramkörök konfigurálható logikai tömbjeiből igen bonyolult működésű áramköröket lehet létrehozni/tervezni.

A VHSIC - Very High Speed Integrated Circuit VHDL- VHSIC Hardware Description Language ADA és PASCAL nyelvekből származik

Nyelvi tulajdonságok

• újrahasználható
• technológia független
• létező tervekbe új technológiák is beépíthetőek

STD_LOGIC és STD_LOGIC_VECTOR adattípus

{’U’, ’X’, ’0’, ’1’, ’Z’, ’W’, ’L’, ’H’, ’-’} 

U - Nem inicializált, a jelhez vagy változóhoz nincsen értéke rendelve (Szimulációban alkalmazott)

X - Határozatlan logikai állapot

W - Gyenge határozatlan logikai állapot, jel, egy olyan értéket vesz fel amit nem lehet sem logikai 0-nak sem logikai 1-nek értelmezni.

0 - Határozott logikai 0, akkor veszi egy jel ezt az értéket, ha szabványos meghajtó áramkör vezérli

1 - Határozott logikai 1, akkor veszi egy jel ezt az értéket, ha szabványos meghajtó áramkör vezérli

Z - Nagy impedanciás érték, háromállapotú meghajtó áramkör

L - Gyenge logikai 0, a meghajtó vezérlő áramkör gyenge meghajtó áramot szolgáltat

H - Gyenge logikai 1, a meghajtó vezérlő áramkör gyenge meghajtó áramot szolgáltat

- - Redundáns érték

Lexikális elemek

Megjegyzések - --

Azonosítók

• Alkalmazható karakterek
  • Latin ABC betűi
  • Számok
  • Aláhúzás

Operátorok: +, -, &, *, /, ., <, =, >, |, /=, :=, >=, <=, <>

Tömkbök: []

Karakterek Karakterláncok Konstansok: constant e: real :=2.71828;, constant delay: Time :=5ns;, constant max_size : natural;, variable intr: bit_vector(31 downto 0);

Számok

• Egész
• Lebegőpontos: pl: Type jelszint is range -10.00 to 10.00; vagy Type valoszinuseg is range 0.0 to 1.0;, előre definiált: Real -1E38 tól 1E38–ig
• Valós
  • N alapú: -Based_literal::=base#basedinteger[.basedinteger]#[exponent]
    • 2#1100_0100# 16#C4# 4#301#E2 = 196
    • 2#1.1111_1111_111#E+11 16#F.FFFE2 = 4095.0
  • Bit string
  • Bit_string_literal:==base_specifier”bit_value”
  • base_speifier::=B|O|X
  • bit_value::=extended_digit{[underline]extended_digit}
  • B”10101100” = 8 bit
  • O”126” = 3 x 3 bit = B”001_010_110”`
  • X”56” = 2 x 4 bit = B”0101_0110”

Kulcsszavak:abs, access, after, alias, and, architecture, array, assert, attribute, begin, block, body, buffer, bus, case, component, configuration, constant, disconnect, downto, else, elsif, end, entity, exit, file, for, function, generate, generic, guarded, if, impure, in, inertial, inout, is, label, library, linkage, literal, loop, map, mod, nand, new, next, nor, not, null, of, on, open, or, others, package, port, postponed, procedure, process, pure, range, record, register, eject, rem, report, return, rol, ror, select, severity, shared, signals, sra, srl, subtype, then, to, transport, type unaffected, units, until, use, variable, wait, when, while, with, xnor, xor

Objektumok:

• Jel (signal) –összeköttetés (vezeték)
• Változó (variable)
  • csak folyamatokban (process)
  • Helyi tároló elem
• Állandó
• fájl

könyvtárak használata

LIBRARY konyvtar_neve
USE konyvtar_neve.csomag_neve.csomag_resze

Minimálisan három könyvtárra van szükség:

• ieee.std_logic_1164 (ieee könyvtárból)
• std standard könyvtárból
• work saját munkakönyvtárból

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.cell;

LIBRARY work;
USE work.all;

IEEE könyvtár csomagok

• Std_logic_1164 std_logic (8 szint) és std_ulogic (9 szint) többszintű logikai rendszerek
• Std_logic_arith –signed és unsigned adattípusok és erre vonatkozó aritmetikai és összehasonlító és adatkonverzióra használt műveletek: conv_integer(p), conv_unsigned(p,b), conv_signed(p,b), conv_std_logic_vector(p,b)
• Std_logic_signed STD_LOGIC_VECTOR adaton értelmezett függvényeket tartalmaz ha az adat SIGNED tipusú, inkrementálás, dekrementálás támogatása std_logic_vector típusokon
• Std_logic_unsigned - STD_LOGIC_VECTOR adaton értelmezett függvényeket tartalmaz, ha az adat UNSIGNED típusú
• Numeric_std: signed és unsigned adattípusok és erre vonatkozó aritmetikai és összehasonlító és adatkonverzióra használt műveletek

std_logic_arith

Típusok: unsigned, signed Aritmetikai: +, -, * Összehasonlító műveletek: <, <=, >, >=, =, /= Eltolás: shl, shr Konverzió conv_integer, conv_unsigned, conv_signed

IEEE.numeric_std

Aritmetikai: +, - , *, /, remm, mod Összehasonlító műveletek: <, <=, >, >=, =, /= Eltolás: SHIFT_LEFT, SHIFT_RIGHT, ROTATE_LEFT, ROTATE_RIGHT, sll, srl, rol, ror Konverzió TO_INTEGER, TO_UNSIGNED, TO_SIGNED Logikai műveletek: Not, and, or, nand, nor, xor, xnor

Entity

PORT: egy listát tartalmaz az összes ki és bemeneti, meghatározva a jel típusát és iránáyát

ENTITY entitás_neve IS
GENERIC
(GENERIC-us paraméterek);
PORT (
	jel1_neve: jel_modjel1_típus;
	jel2_neve:jel2_modjel2_tipus;
	…);
END entitás_neve;

A jel típusa lehet: Bit, STD_LOGIC, INTEGER stb A jel iránya: In, out, Inout, buffer

Az AND entity:

ENTITY es_kapu IS
	PORT (	X1: IN bit;
			    X2: IN bit;
		    	Y: OUT bit;)
	END es_kapu
	ENTITY es_kapu IS
		PORT
			(X: IN std_logic_vector(1 downto 0);
			  Y: OUT std_logic;
	END es_kapu;

Architecture

ARCHITECTURE az_architektura_neve OF entitás_neve
	[Deklarációs rész szignálok:, komponensek (COMPONENT) , függvény FUNCTION, jelek (SIGNAL), konstansok (CONSTANT), változok (VARIABLE), típusok (TYPE)]
BEGIN
	Programkód rész;
END az_architektura_neve;

ENTITY mux
	Port(I0: IN bit;
		I1: IN bit;
		S0: IN bit;
		O: OUT bit);
END mux;
ARCHITECTURE arch1 OF mux IS
 
BEGIN
	O<= ((not S0) and I0) or (S0 and I1);
END arch1

ARCHITECTURE arch2 OF mux IS
Signal p1:bit;
Signal p2:bit;
BEGIN
p1<=(not S0)and I0;
P2<= S0 and I1;
0 <= p1+p0;
END arch2;

Adattípusok

• Integer – egész típus [-231-1, 231-1], műveletei: +, -, *, /, mod modulo, rem egésszel osztás maradéka, abs abszolútérték, ** hatványozás
• Boolean – Boole típus {true, false}
• bit típus: {’0’, ’1’}, egy jelhez nem csupán kétállapotú jelszinteket lehet rendelni (nagyimpedanciás állapot, jelkonfliktus)
• bit_vector típus –bit típusú elemekből álló tömb, egy jelhez nem csupán kétállapotú jelszinteket lehet rendelni (nagyimpedanciás állapot, jelkonfliktus) bit és bit_vector helyett lehet STD_LOGIC és STD_LOGIC_VECTOR
• real
• Felsorolás (enumeration)
• Vektorok (Arrays)
• Rekordok
• fizikai mennyiségek: nm, um, mm, cm, dm, m, km stb

    type Time is range --im plementation defined-- ;
    units fs; -- femtosecond 
    ps = 1000 fs; -- picosecond 
    ns = 1000 ps; -- nanosecond 
    us = 1000 ns; -- microsecond 
    ms = 1000 us; -- millisecond 
    sec = 1000 ms; -- second
    min = 60 sec; -- minute 
    hr = 60 min; -- hour 
    end units;
    
    type CAPACITANCE is range 0 to 1000000000 -- set up system for capacitance
    units pf ; -- smallest allowable unit is 
    nf = 1000 pf; -- nanofarad, 
    uf = 1000 pf; -- microfarad mf = 1000 
    uf; -- millifarad 
    f = 1000 mf; -- farad 
    end units CAPACITANCE ;   

Rekordok

Type utasitas is 
Record	
	utasitas_kod : processzor_utasitas;
	cimzesi_mod: cimzesi_mod_tipus;
	operandus_1 : integer range 0 to 15;
	operandus_2: integer range 0 to 31;
End record utasitas;

type DATUM is record
HONAP : STRING (0 to 20);
NAP : INTEGER range 1 to 31;  
EV : INTEGER range 1800 to 2050; 
end record DATUM; 

Type CIM is record 
UTCA : STRING (0 to 50); 
IRANYITOSZAM : INTEGER range 0 to 99999;
HELYSÉG : STRING (0 to 50); 
ORSZÁG : STRING (0 to 40); 
end record ADDRESS; 

Altípusok (subtype)

lehetővé teszi, hogy az objektum által felvehető értékeket korlátozzuk az alaptípus csak egy bizonyos részére

Subtype kimenetek_szama is integer range  0 t0 400;
Subtype digits is character range ‘0’ to ‘9’;
subtype MEM_ADR is INTEGER range 0 to 1023;
subtype BUS_VAL is INTEGER range 0 to 65535;

Attribútumok

• típushoz kapcsolódó attribútumok (scalar attribute): T'BASE is the base type of the type T
• signal-hoz kapcsolódó attribútumok (signal atribute): T'last_value -visszatéríti az utolsó esemény előtti értéket
• vektor-hoz kapcsolódó attribútumok (array atributes): T'length -vektor mérete
• saját attrbútumok:
  • Deklarálni kell az attribútumot: ATTRIBUTE attribútum_neve : attributum_tipusa
  • Specifikálni kell az attribútumot

  ATTRIBUTE  attributum_neve: OF  cel_elem_neve : osztaly IS ertek; 

  • attribútum típusa: bámely adattípus: BIT, INTEGER, STDÜLOGIC_VECTOR, STRING stb
  • Osztály Type, SIGNAL, FUNCTION
  • Értek: “11111”, 27, “WRITE_FIRST”, “READ_FIRST”

  ATTRIBUTE bemenetek_szama : integer;
  ATTRIBUTE bemenetek_szama of nand3 : SIGNAL is 3;
  Inputs <- nand3’bemenetek_szama;

Értékadás

• signálnak: <=
• változók/konstansok: :=
• vektor elemeinek: => példák:

SIGNAL x:std_logic;
VARIABLE  y: STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
SIGNAL w:std_logic_vector(0 to 7);
x<='1';
y:="0000";
w<="10000000"
w<=(0=>'1', others=>'0')

Téma 5 - VHDL szekvenciális kifejezések

fájl: 5.ppt

példaprogramok: 5.téma példaprogramjai

Ebben a részben a hallgató megismerheti a VHDL-ben alkalmazható fontosabb szekvenciális kifejezéseket: process, feltételes értékadás, ciklusok, signal (jel) és variable (változó) közötti különbség.

Egyszerű szekvenciális és kombinációs áramkörökre bemutatott példák alapján felismerheti az egyes kódolási módszerek sajátosságait.

A hallgató képes lesz az ismeretek elsajátítását követően kombinációs és szekvenciális áramkörök modellezésére.

Konkurens rész

• a konkurens rész az architecture által van képviselve amely, tartalmaz:
  • process-t
  • konkurens eljárás hívást (procedure)
  • konkurens jelhozzárendelés
  • komponens példányosítást

Szekvenciális rész

• process (folyamatban) vagy alprogramrészben található szekvenciális kifejezések
• a szekvenciális kifejezések abban a sorrendben vannak végrehajtva, ahogy megjelennek a process vagy alprogram részekben

VHDL PROCESS – legegyszerűbb megoldás szekvenciális áramkörök tervezésére

• Szekvenciális kifejezés
• Minden PROCESS egyetlen kifejezés
• Az architecture-ben minden processzus egyszerre (konkurensen) hajtódik végre

A PROCESS a terv többi részével a PROCESS-en kívül deklarált SIGNAL-okon és PORT-okon kommunikál

szekvenciálisan végrehajtódó utasítások: PROCESS, FUNCTION, PROCEDURES, IF, WAIT, CASE LOOP, VARIABLE - szintén csak szekvenciális kódgenerálásban vagy lokálisan, SIGNAL –globálisan alkalmazható, bővebben: vhdl-online.de/vhdl_reference_93

Szekvenciális kifejezések csak PROCESS–en belül alkalmazhatóak:

értékadás (hozzárendelés, assignment): változóknak, jeleknek

folyamatirányító kifejezések (utasítások):

• feltételes: IF, CASE, LOOP
• ciklus: FOR...LOOP, WHILE LOOP, UNTIL
• ugrás: NEXT, EXIT

alprogramrészek: FUNCTION, PROCEDURES

várakozás, amíg egy esemény történik: WAIT

semmi sem történik: NULL

PROCESS

• egy szekvenciális algoritmust implementál
• Tartalmazhat szekvenciális és konkurens kifejezéseket
• Szekvenciális kifejezések csak a PROCESS -en belül alkalmazhatók

szerkezete:

[címke]:PROCESS (érzékenységi lista)
	[típus deklarálás]
	[konstans deklarálás]
	[változó deklarálás]
	[VARIABLE változó_neve típus [intervallum] [:=kezdeti_érték]]
	[alprogram deklarálás]
BEGIN
	-- implementációs rész --meghatározzák mely signal értékadása fog végrehajtódni.
	……..
	szekvenciális kifejezések
	-- IF, WAIT, CASE, LOOP
	……..
END PROCESS [címke];

A PROCESS aktiválódik, ha

• a PROCESS-t követő listából (érzékenységi lista) a jelek értéket váltanak
• a WAIT kifejezésből a jelek értéket váltanak

PROCESS – (explicit) érzékenységi listával

• aktiválódnak amikor az élesítő listából bármely jel állapotot vált
• nem tartalmazhat WAIT-et
• végén van egy implicit WAIT ON
• kiértékelése a végén függesztődik fel

PROCESS élesítő lista nélkül

• tartalmaznia kell legalább egy WAIT-et
  • Egyes tervező eszközök esetében a WAIT kifejezés rögtön a BEGIN után kell következzen
  • A PROCESS az első WAIT–ig fut
• A WAIT kifejezés meghatározza a signal–okat, amelyek változását monitorizáljuk
• A PROCESS–ek akkor aktiválódnak, amikor a WAIT kifejezés után meghatározott signal-ok értéket váltanak
• A PROCESS a következő WAIT kifejezésig fut
• Egyes tervezőeszközök PROCESS–enként több WAIT kifejezést engedélyeznek

PROCESS kiértékelése:

• A már egyszer aktiválódott process kiértékelése a legutolsó felfüggesztéstől kezdődik
• fentről lefele hajtódik végre
• Ha a process végéig nincs (még) egy WAIT (újabb WAIT), a kiértékelés visszaugrik a PROCESS elejére és folytatódik (a WAIT-ig)

A hivatkozott jelek állapota a jelek (signalok) állapota a PROCESS inditásakor:

• Az összes signal értékadás csak lehetséges értékadás
• A PROCESS-en belül a signal-ra az utolsó értékadás érvényesül
• a signal értékadása csak a PROCESS kiértékelésének végén történik

Kombinációs áramkört megvalósító process

entity log_lut is
    Port (-- S0 : in STD_LOGIC;
           --S1 : in STD_LOGIC;
           I0 : in STD_LOGIC;
           I1 : in STD_LOGIC;
           I2 : in STD_LOGIC;
           I3 : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end log_lut;

architecture Behavioral of log_lut is
begin
	
process (I0, I1, I2, I3)
begin
q<=((I0 and I1) or (not I2)) and I3;
end process;
end Behavioral;

Szekvenciális áramkört megvalósító process

Szekvinciális áramkörök/hálózatok

A sorrendi hálózatok, vagy más néven a szekvenciális hálózatok feladata, az időfüggő logikai függvények megvalósítása.

Fontos tulajdonságuk, hogy a kimeneti események állapotát nem csak a bemeneti feltételek, hanem már a korábban végbement kimeneti események is befolyásolják.

Aszinkron szekcinciális hálózatok: Ez a szekvenciális hálózat azon fajtája, amelynél a kimenet előző állapotától való függését visszacsatolással vagy tárolókkal valósítják meg. A bementi jellemző megváltozására a kimenti jellemző azonnal reagál.

Szinkron szekvenciális hálózatok: Az állapotváltozás egy engedélyező jel hatására, azzal azonos fázisban zajlik le. Ezt az engedélyező jelet órajelnek, vagy más néven ütemjelnek nevezzük. A kimenet előző állapotától való függést tárolók segítségével valósítják meg.

process (src_clk, reset)
variable counter : std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0);
begin
   if reset='1' then 
     counter := (others=>'0');
   elsif src_clk'event and src_clk='1' and CE='1' then
     counter := counter+1;
  end if;
        q<=counter;
end process;
end Behavioral;

Reset nélküli D típusú tároló

A D típusú tároló

Bementére adott információ a kimenetén egy vezérlőjel időtartamával késleltetve jelenik meg. Akkor kapunk D tárolót, ha a J=K értékkombinációkat kizárjuk.

igazságtáblázata és rajzjele:

forrás: integrált áramkörök logikai típúsai - sulinet

process (src_clk)
begin
   if src_clk'event and src_clk='0' then --Felfutó él detektálás
      q <= d;
   end if;
end process;
end Behavioral;

D típusú tároló Reset jellel

Példa: aszinkron reset a lefutó óraélen, szinkron reset a lefutó óraélen, szinkron reset felfutó óraélen, szinkron reset felfutó óraélen órajel engedélyezéssel

process (src_clk, reset)
begin
   if src_clk'event and src_clk='0' then --Felfutó él detektálás
   --Szinkron reset
   if reset='1' then
      q <= '0';
    else
    -- Szinkron reset kezelés vége
     q<=d;      
   end if;
   end if;
end process;
end Behavioral;

példa:

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
-------------------------------------------
entity pelda_2 is
    Port (src_clk: in std_logic;
          reset : in std_logic;
          d : in std_logic;
          q : out std_logic);
end pelda_2;
--------------------------------------------
architecture Behavioral of pelda_2 is

begin
process (src_clk, reset)
begin
     -- Szinkron reset	
    if reset='1' then
   elsif src_clk'event and src_clk='0' then
   -- Szinkron reset eddig
      q <= d;
   end if;
end process;
end Behavioral;

SIGNALOK

• vezeték szerepe komponensek között összekapcsolásra
• deklarálható:
  • PACKAGE-ben
  • ENTITY-ben (port típusú szignál)
  • ARCHITECTURE-ban
• módosítása csak PROCESS végén történik
• SIGNAL értékadás: jel<=kifejezes

VARIABLE - változók

• csak PROCESS-en belül deklarálható, és tartalma PROCESS-en kívül nem érhető el
• Alkalmazható köztes eredmények tárolására.
• módosítása azonnali
• Változó értékadás: valtozo_neve:=kifejezes

IF –feltételes végrehajtás

IF feltétel THEN
	értékadás ha a feltétel igaz
ELSE 
	értékadás ha a feltétel hamis
END IF;

IF (x<y) THEN temp:=“11111111”;
ELSIF (x=y and w=‘0’) THEN temp:=“11110000”;
ELSE temp:=(OTHERS=>’0’);
END IF;

Számláló megvalósítása példa:

fájl:bináris felfele számláló szinkron resettel felfutó óraélen órajel enegdélyezővel, bináris felfele számláló aszinkron resettel felfutó óraélen órajel engedélyezővel

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_vector;
----------------------------------------------
ENTITY counter IS
	PORT (clk: IN STD_LOGIC;
		 digit: OUT INTEGER RANGE 0 TO 9); --Változó deklarálás
END counter
----------------------------------------------
ARCHITECTURE counter OF counter IS
BEGIN
	count:PROCESS(clk)
		VARIABLE temp : INTEGER RANGE 0 TO 10; --Változó deklarálás
BEGIN
	IF (clk’EVENT AND clk=‘1’) THEN	--Felfutó él detektálás 
		temp:=temp+1;
		IF (temp=10) THEN --Változó visszaállítása nullára
			 temp:=0;
		END IF; --
	END IF
	digit <=temp;
END PROCESS count;
END COUNTER

CASE

• Csak szekvenciális kódgenerálásra alkalmazzuk!

példa: D típusú tároló esetében

[ cimke: ] case kifejezés is 
	when K1 => szekvenciális kifejezések;
	 when K2 => szekvenciális kifejezések; 
	when others => szekvenciális kifejezések; 
 end case [ cimke ] ; 

multiplexer áramkör esetében case when megvalósítás: fájl

process (sel)
variable counter : std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0);
begin
   case (sel) is
   when "000" =>
      q<=a;
   when "001" =>
         q<=b;
   when "010" =>
        q<=c;
   when "011" =>
         q<=d;
   when "100" =>
         q<=e;
   when "101" =>
         q<=f;
   when "110" =>
         q<=g;
   when "111" =>
         q<=h;
   when others =>
         q<='X';
end case;
end process;
 end Behavioral;

WAIT

Ha a PROCESS-en belül alkalmazzuk a WAIT parancsot, a PROCESS-nek nem lehet érzékenységi paramétere

• A program végrehajtódik a következő WAIT–ig
• A program végrehajtása felfüggesztődik, amíg a WAIT feltétele teljesül

A WAIT parancs formái: WAIT UNTIL signal_condition; WAIT ON signal1 [, signal2,…] ; WAIT FOR time;

WAIT UNTIL

• a PROCESS-nek nincs érzékenységi listája, a WAIT UNTIL parancs kell az első kifejezés legyen a PROCESS folyamaton belül
• a PROCESS minden alkalommal végrehajtódik, mikor a feltétel teljesül

PROCESS  --nincs erzékenyégi lista!!!!!!!
	WAIT UNTIL (clk’EVENT AND clk=‘1’);
	IF (rst=‘1’) THEN
		output <=“00000000”;
        ELSIF (clk’EVENT AND clk=‘1’) THEN
		output <=input;
        END IF;
END PROCESS;

D típusú tároló WAIT UNTILlal: fájl

entity pelda_8d is
GENERIC (BIT_SZAM : natural :=8);
  Port ( src_clk : in std_logic;
          reset : in std_logic;
         d : in std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0);
         q : out std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0)
  );
end pelda_8d;

architecture Behavioral of pelda_8d is

begin

PROCESS  --nincs erzékenyégi lista!!!!!!!
begin
	WAIT UNTIL src_clk'EVENT AND src_clk='1';
	IF (reset='1') THEN
		q <=(others=>'1');
	ELSE
		    q <=d;
	END IF;
END PROCESS;
end Behavioral;

WAIT ON

Várakozik mindaddig amíg valamelyik jel változik

PROCESS
BEGIN
		WAIT ON clk, rst
		IF (rst=‘1’) THEN
			output <=“00000000”;
		ELSIF (clk’EVENT AND clk=‘1’) THEN
			output <=input;
		END IF;
END PROCESS

CASE és WAIT ON plda:

példa D típusú tároló esetében: fájl

entity pelda_8 is
GENERIC (BIT_SZAM : natural :=8);
  Port ( src_clk : in std_logic;
        reset : in std_logic;
         d : in std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0);
         q : out std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0)
  );
end pelda_8;
 
architecture Behavioral of pelda_8 is
 begin
PROCESS
BEGIN
	WAIT ON src_clk, reset;
	IF (reset='1') THEN
		q <="00000000";
	ELSIF (src_clk'EVENT AND src_clk='1') THEN
		q <=d;
	END IF;
END PROCESS;

if helyett case esettel:fájl

entity pelda_8c is
GENERIC (BIT_SZAM : natural :=8);
  Port ( src_clk : in std_logic;
        reset : in std_logic;
         d : in std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0);
         q : out std_logic_vector(BIT_SZAM-1 downto 0)
  );
end pelda_8c;
 
architecture Behavioral of pelda_8c is
 begin
PROCESS
BEGIN
WAIT ON src_clk, reset;
CASE reset IS
	WHEN '1' =>  q<=(others=>'0');
	WHEN '0' => IF (src_clk'EVENT AND src_clk='1') THEN
			q<=d;
		        END IF;
WHEN OTHERS => NULL;
END CASE;
END PROCESS;
END Behavioral;

WAIT FOR

• csak szimulációra alkalmazzuk
• WAIT FOR idő; - Várakozik hogy elteljen a WAIT FOR után meghatározott idő Órajel generálása szimulációhoz

<clock>_process :process
   begin
	<clock> <= '0';
	wait for <clock>_period/2;
	<clock> <= '1';
	wait for <clock>_period/2;
     end process;

A bemeneti jelek megadása az idő függvényében.

   stim_proc: process
   begin		
      -- hold reset state for 100 ns.
           reset=‘1’;	
      wait for 100 ns;	
	reset=‘0;’
      wait for <clock>_period;
	start=‘1’;
     -- egyéb bemenetek 
      wait;
     end process;

LOOP

FOR / LOOP – véges ciklusszám

[címke:] FOR azonosito IN intervallum LOOP
	(szekvenciális kifejezés)
END LOOP [címke];

WHILE / LOOP -a ciklus addig ismétlődik, amíg a feltétel igaz

[címke:] WHILE feltétel LOOP
	(szekvenciális kifejezés)
END LOOP [címke];

EXIT- ciklus vége

[címke:] EXIT [címke_b] [WHEN feltétel];

NEXT átugorhatunk lépéseket a ciklusból

[címke:] NEXT [cimke_b] [WHEN feltétel];

Pl: fájl

FOR i IN 0 TO 5 LOOP
	x(i)<=enable AND W(i+2);
	y(0,i)<=w(i);
END LOOP;
WHILE (i<10) LOOP
	WAIT UNTIL clk’EVENT AND clk=‘1’;
		other statements
END LOOP;

fájl

FOR I IN data’RANGE LOOP
	CASE data(i) IS
		WHEN ‘0’ => count:=count+1;
		WHEN OTHERS =>EXIT;
END CASE;
END LOOP;

FOR I IN 0 TO 7  LOOP
	NEXT WHEN i=skip;
		…
END LOOP

next pl:

• next;
• next cimke;
• `next when A>B;
• Next cimke when C=D or done; -- done is a Boolean variable

exit pl:

• exit statement
• exit;
• exit cimke;
• exit when A>B;
• nexit cimke when C=D or done; -- done – boole változó

Véges állapotú automata

process (AKT_ALL_reg,start,cont)
Begin
	case (AKT_ALL) is
		when 0 =>	if start = '1' then
				KOV_ALL <= 1;
			else
				 KOV_ALL <= 0;
			end if;
		when 1 =>	if cont ='1' then
				 KOV_ALL <= 4;
			else
				 KOV_ALL <= 2;
			end if;
		when 2 => KOV_ALL <= 3;
		when 3 => if cont = '1' then 
				KOV_ALL <= 4;
			else	
				KOV_ALL<=3;
			end if;					
		when 4 => KOV_ALL<= 5;
		when 5 => KOV_ALL<= 0;
		when others => KOV_ALL <= 0;	
	end case;
end process;

process (clk,reset)
begin	
If reset='1' then
	AKT_ALL<=0;
	elsif clk'event and clk='0' then
	AKT_ALL <= KOV_ALL;
end if;
end process;

---

Téma 7 - Konkurens VHDL utasítások, kódfejelsztés a konkurencia felhasználásval

fájlok: téma 7 ppt, VHDL mintakód generate-re

Ebben a fejezetben a hallgató megismerheti a konkurens VHDL utasításokat. Összehasonlítva a szekvenciális utasításokkal, több típusú áramkör szekvenciális és konkurens utasítással is megvalósítható.

Példaprogramok tanulmányozásával elsajátíthatja a fontosabb utasítások működését és különböző gyakorlati alkalmazását.

A generikus (GENERIC) paraméterek valamint a FOR GENERATE és IF GENERATE utasítások alkalmazásával lehetőség van egyszerű módon bonyolultabb áramköröket is megtervezni.

A Block típusú utasítás működését is megismerheti a hallgató, viszont a kurzus keretében nem alkalmazzuk. A kurzus terjedelme ugyanakkor nem teszi lehetővé a függvények (FUNCTION) és eljárások bemutatását.

Szekvenciális VS konkurens utasítások

• A szekvenciális processzen belül abban a sorrendben ahogy jönnek a processzen belül.
• A konkurens utasítások egymással párhuzamosan hajtódnak végre.

Két külön process párhuzamosan hajtódik végre, a bennük levő utasítások viszont egymás után egymáshoz képest.

SIGNAL hozzárendelés konkurensen, feltétel nélküli: a <= b - azonnali utasítás SIGNAL hozzárendelés konkurensen, feltétellel: WHEN-el, ezzel lehet kétirányú síneket megadni:

jel <= [kifejezes when 	feltetel 
			else ...]
	kifejezés;

pl: x<=a when c ='0'; vagy x<=a when c = '0' else b;

Az összes eset lekezelése:

with szelekcios_bemenet select
jel<= kifejezes_1 when választási_lehetőségek_1,
      ...
      kifejezés_n when választási_lehetőségek_n,
      [kifejezés when others];

Az others akkor kell ha minden egyéb jelet kezelünk és nem adjuk meg pontosan a bemenő jelet.

Block utasításokban párhuzamosíthatunk, mint alábba példa, vagy a következőket is megtehetjük:

• Port és generikus változok deklarálása
• (port map és generic map)
• Típus és alltípus deklarációs
• Allprogramrészek deklaráslás + megvalósítás
• Konstans változó és signal deklarálás
• Komponens deklarálás
• File, attributum és konfiguráció deklarálás
• többszintes egymásba ágyazás: block a blockban

entity pelda is
 Port (-- S0 : in STD_LOGIC;
           --S1 : in STD_LOGIC;
           I0 : in STD_LOGIC;
           I1 : in STD_LOGIC;
           I2 : in STD_LOGIC;
           I3 : in STD_LOGIC;
           q : out STD_LOGIC);
end pelda;

architecture Behavioral of pelda is
Signal s0, s1 : std_logic;
Begin

-- párhuzamosan a következők:

RTL_AND_1: process(I0, I1)	
Begin
	S0<= I0 and I1;
end process;

RTL_OR: process(S0, I2)	
Begin
	S1<= S0 or (not I2);
end process;

RTL_AND_2: process(S1, I3)	
Begin
	q<= S1 and  (not I2);
end process;

-- párhuzamosítás vége

End process;

blokkok belsejében hozzárendelés vezérlése guard-dal

Label: BLOCK (guard expression)
	[declarative part]
BEGIN
	(concurrent guarded and unguarded statements)
END BLOCK label;

Hogyan tervezzük meg a kódot a konkurenciára alapozva?

• lehetővé tenni közös részek megosztását és újrahasznosítását
• elemeket a könyvtárba (LIBRARY) helyezni
• kódrészek megírhatóak:
  • komponens
  • függvényként
  • eljárásként

Generate

mintafájl: pelda_12_generate.vhd

Két verzióval: FOR ... GENERATE és IF ... GENERATE. Előbbi egy ciklusként adott számszor rakja be a modult, utóbbi kivételeket kezelehet le.

pl FORos verzióra:

Label1: FOR azonosító IN intervallum GENERATE
	(konkurens hozzárendelés)
END GENERATE;

péld IFes verzióra:

Label2: IF feltétel GENERATE
	(konkurens hozzárendelés)
END GENERATE;

természetesen egymásban is használható egyik a másikkal pl:

Cimke1: FOR ciklus_azonosító IN intervallum GENERATE
	...
	Cimke2: IF feltétel GENERATE
		(konkurens  hozzárendelés)
	END GENERATE;
	...
END GENERATE;

Package

• komponensek (COMPONENTS)
• függvények (FUNCTIONS)
• eljárásokon (PROCEDURES)
• típusok TYPE
• konstansok CONSTANT

Szerkezete, a két csomag_neve attribútum meg kell egyezzen, ha ugynahhoz a csomaghoz tartozik:

PACKAGE csomag_neve IS
	(Deklarációs rész;)
END PACKAGE

[PACKAGE BODY csomag_neve IS 
	(Függvények és eljárások leírása;)
END csomag_neve;]

példa:

LIBRARY ieee;
USE ieee. Std_logic_vektor.all;
	PACKAGE példa_csomag IS
		TYPE állapot 	IS (st1, st2, st3, st4);
		TYPE szín 	IS (red, green, blue, black);
		CONSTANT vector : STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0):=”1111”;
	END példa_csomag;

---

Téma 8 - Tesztelés

fájlok: pdf, mintaprogramok

Ebben a részben a hallgató megismerkedhet az FPGA-ban elkészített modulok tesztelési lehetőségeivel. A témában részletesen van tárgyalva egy FPGA-ba betöltött modul működés közbeni tesztelése.

A példaprogram alapján egy tcl szkript programban van megvalósítva egy áramkör működés közben való tesztelése. A tesztelés során a tesztelendő jelek az FPGA-ba integrált ILA modulon keresztül vannak kivezetve az FPGA laphoz csatolt számítógépen futó grafikus felületre.

A VIvado programból a tcl szkrip futtatásával automatikusan létrejön a tesztkörnyezet.

Javasolt, hogy a minta alapján a hallgató akár egy általa elkészített VHDL modulra, vagy a példaprogramok közül kiválasztott modulra készítse elő a szimulációs környezetet.

Tesztelésre több lehetőség is van:

• áramkör szimulációja
• külső méréssel
• logikai analizálás az FPGA-n

Szimulációk:

• behavioral simulation - viselkedési szimuláció szintezést követően
• functional simulation - funkcionális szimuláció fordítást követően
• static timing analysis - statikus időanalízis leképzésifázis után
• timing analysis - az elhelyezéstés huzalozástkövetően
• az áramkör teljesítményanalízise (szimuláción kívül)

Sokszor az FPGA áramkör helyes működést mutat önmagában, bekötés után viszont helytelent. A probléma megoldásához működés közben kell vizsgálni a jeleket.

Az adatok az FPGA áramkörből a JTAG láncon vannak kivezetve ami USB vagy Ethernettel csatlakozik a számítógéphez ahol a jelek megjelenhetnek grafikusan ábrázolva.

Tesztelendő áramkör

• előosztó és számlálóból álló áramkör teljes fájl: téma 8.../top_level_2.vhd

modulo : process(src_clk)

variable x: integer range 1023 downto 0 := 0;
variable q_div: STD_LOGIC:= '0';

begin
if src_clk'event and src_clk='1' then
	if x<div_val then 
		x:=x+1;
		--q_div:=q_div;
	else
		x:=0;
		q_div:=not(q_div);
	end if;
	q_clk<=q_div;
end if;

end process modulo;

szamlalo: process(q_clk, reset)
variable sz: std_logic_vector(3 downto 0);
begin

if q_clk'event and q_clk='1' and start='1' then
if  reset='1' then
 sz:=(others=>'0');
 else
    sz:=sz+1;
    end if;
end if;
    q<=sz;
end process szamlalo;

Tesztelés működés közben

Tesztelés Vivadoban:

• Set Up Debug varázsló (Debug Cores integrálással)
• XDC modul a tervhez kapcsolása

Tesztelés áramkörben működés közben:

• tesztelendő jelek kijelölése
  • jel HDL forrásodban megjelölése
  • megjelölésszintetizált áramkörben
  • jelek megjelölése tclparanccsal való megjelölésre
• implementációs fázis: tesztelésre használt IP magok terve implementálása, konfigurációs fájl létrehozása
• Analízis fázis: jelek kiolvasása működés közben

Tesztkörnyezet konfigurálása

• SetUpDebug varázslóhasználata
• jelek megjelölése és IP modulhoz rendelése
  • unassigned nets listából kiválasztás
  • jelek megjelölése szintetizált áramkörben - jobb klikka vezetékre a Sinthesized Design nézetben
• Set UP Debug parancs végrehajtása:
  • Flow navigátor ablak -> Synthesis -> Synthetized Design -> Set Up Debug vagy Tools -> Set Up Design
  • Window menü -> Debug nézet -> jelek kijelölése Unassigned Debu Nets lista -> Set Up Debug -újabb jelek hozzáadása/meglévő elvetése: Find Nets to ADD
• órajel kiválasztása -trigger/capture mód megadása
• Finish gomb

TCL prancsokkal terv létrehozása, az alábbi scriptet futtatvamindne lépés automatikusan végrehajtódik, és az eszköz kész a tesztelésre: teljes fájl: teszt_debug_3.tcl

set terv_nev teszt_7
set konyvtar C:/Munka/I_Felev/UKDA_2017/L6
start_gui
create_project ${terv_nev} ${konyvtar}/${terv_nev} -part xc7z010clg400-1

VHDL hardver leíró nyelv beállítása

set_property target_language VHDL [current_project]

VHDL forráskódnak a tervhez való csatolása

add_files -norecurse ${konyvtar}/top_level_2.vhd

Megkötés állománynak a tervhez valócsatolása

add_files -fileset constrs_1 -norecurse ${konyvtar}/system_4.xdc
update_compile_order -fileset sources_1
update_compile_order -fileset sim_1

Szintézis futtatás

launch_runs synth_1

Várakozás a szintézis befejezésére

wait_on_run synth_1

Synthesized Design megnyitása

pen_run synth_1

Debug core magnak a tervhez való csatolása

create_debug_core u_ila_0 ila

ILA modul konfigurálása

set_property C_DATA_DEPTH 65536 [get_debug_cores u_ila_0]
set_property C_TRIGIN_EN true [get_debug_cores u_ila_0]
set_property C_TRIGOUT_EN false [get_debug_cores u_ila_0]
set_property C_ADV_TRIGGER true [get_debug_cores u_ila_0]  #enable advanced trigger mode
set_property C_INPUT_PIPE_STAGES 0 [get_debug_cores u_ila_0]
set_property C_EN_STRG_QUAL true [get_debug_cores u_ila_0] #enable Basic capture mode
set_property ALL_PROBE_SAME_MU true [get_debug_cores u_ila_0]
set_property ALL_PROBE_SAME_MU_CNT 1 [get_debug_cores u_ila_0]
set_property port_width 1 [get_debug_ports u_ila_0/clk

ILA modul órajelének meghatározása

connect_debug_port u_ila_0/clk [get_nets [list src_clk_IBUF_BUFG]]

A Testmodulon probe0 sínszélességének meghatározás

set_property port_width 3 [get_debug_ports u_ila_0/probe0]

probe0 bemenetre a start, reset és q_div jelek csatolása

A forráskódban meghatározott jelek nem érhetőek el tesztelésre a szintézist követően, hanem a bemenetek esetében a start_IBUF reset_IBUF jeleket alkalmazzuk, kimenetek esetében pedig a q_OBUF jeleket connect_debug_port u_ila_0/probe0 [get_nets [list start_IBUF reset_IBUF q_div]]jeleket kell alkalmazni

Egy újabb bemenet (probe1) létrehozása a tesztmodul bemenetére

create_debug_port u_ila_0 probe

Sínszélesség beállítása

set_property port_width 4 [get_debug_ports u_ila_0/probe1]

q_OBUF[0], q_OBUF[1], q_OBUF[2], q_OBUF[3] kimenetekneka probe1 bemeneti portra való csatolása

connect_debug_port u_ila_0/probe1 [get_nets [list q_O*]]

Megkötés fájl mentése

save_constraints_as system_${terv_nev}.xdc
set_property constrset system_teszt_6.xdc [get_runs synth_1]
set_property constrset system_teszt_6.xdc [get_runs impl_1

Implementáció lefuttatása

aunch_runs impl_1
wait_on_run impl_1

Konfigurációs fájl generálás

launch_runs impl_1 -to_step write_bitstream
wait_on_run impl_1

harver megnyitás

open_hw

Szerver indítása az FPGA áramkörre való kapcsolódás céljábó

onnect_hw_server

Célhardver megnyitása

open_hw_target

Konfigurációs.bit fájl és debug_net.ltx beállítása

set_property PROGRAM.FILE
${konyvtar}/${terv_nev}/${terv_nev}.runs/impl_1/top_level_2.bit [lindex [get_hw_devices] 1]
set_property PROBES.FILE 
${konyvtar}/${terv_nev}/${terv_nev}.runs/impl_1/debug_nets.ltx [lindex [get_hw_devices] 1]

current_hw_device [lindex [get_hw_devices] 1

hardver frisítése

refresh_hw_device [lindex [get_hw_devices] 1

Hardver programozása

program_hw_devices [lindex [get_hw_devices] 1]
refresh_hw_device [lindex [get_hw_devices] 1

A tesztelés lépései:

1. A top_level.vhd modul alapján egy terv létrehozása
2. Atesztelendő jelek kiválasztása, a debug interfésznek a tervbe való csatolása, a jeleknek a tesztmodulba való csatolása
3. Órajeltartomnyok kiválasztása
4. tesztelő ILA IP modul paraméterezése
5. terv implementálása, implementáció elindításaa tcl parancsablakból: launch_runs impl_1
6. Konfigurációs fájl létrehozása: launch_runs impl_1 -to_step write_bitstream
7. Hardver menedzser megnyitása, kapcsolódás hardvereszközhöz

---

Téma 9 - System Generator alapú hardver tervezés

fájlok: pptx, pdf

Ebben a részben a hallgatók megismerhetik a System Generator környezetet, a megvalósítható feladatokat, tapasztalatot szereznek System Generator típus terv kialakításában. Megismerkednek a fontosabb modulokkal, adat típusok konverziójával a Simulink környezetből System Generatorba és vissza.

A tapasztalatok alapján a hallgatók képesek lesznek egyszerű modelleknek System Generatorban való kialakítására és szimulációjára.

Az alapötletek elsajátítását követően komplexebb feladatokat is meg tudnak valósítani

System Generator for DSP

• pontos lebegő és fixpontos implementáció bit és ciklus segítségével
• Simulinkből HDL kódot generál
• Hardver ko-szimuláció

DSP modellezés:

• Jelfeldolgozás (CORDIC, Cascaded Integrator-Comb (CIC) filters, FFT, IFFT, FIR filter)
• Aritmetikai és logikai művelet alapú rendszerek
• Memória alapú rendszerek
• Interfész

Teszteléskor az FPGA lábairea kell csatolni:

• a jeleket, amelyeket egy külső oszcilloszkóppal szeretnénk tanulmányozn
• a jeleket, amelyeket egy külső logikai analizátorral szeretnénk tanulmányozni

Fontosabb alkalmazási területek -jelfeldolgozás: trigonometirai függvények generálása újrakonfigurálható logikában -szűrőalgoritmusok: FIR, CIC -Gyors Fourier transzformáció

alkalmazásának előnyei:

• Stimulus generálása (Simulink töbökkel)
• tervezett rendszer analízise (az összes kimenő és átmeneti jel analizálása)
• DSP tervezés (összetett számítások esetében is)

Simulink Xilinx eszköztár

The Xilinx Blockset is a family of libraries that contain basic System Generator blocks. Some blocks are low-level, providing access to device-specific hardware. Others are high- level, implementing (for example) signal processing and advanced  communications algorithms.

• egyszerű áramköri elemek: regiszterek, összeadók, számlálók,
• digitális jelprocesszálásra szolgáló modulok: DSP modul, FIR szűrő, Komplex szorzómodul, FFT, Inverz FFT
• memória modulok: FIFO, BRAM, Dual port BRAM, FIFO
• kommunikációs modulok: Reed-Solomon Encoder, Reed-Solomon Decoder
• típuskonverzió

Könyvtár elérése: Tools->Xilinx->Block Add vagy Xilinx Block Add gyorsmenüvel

Adat típusok

System Generator tömbök adattípusai:

• Boolean
• Tetszőleges pontosságú fix-pontos
• Lebegőpontos: IEEE-754 Standard ábrázolással: Single, Double, Custom - a pontosságtól függően, a tetszőlegesnek a legnagyobb hardverígénye de a elgnagyobb pontossága is Simulink alap adattípus (double dupla pontosságú lebegőpontos) Gateway tömbök:

Gateway out modul a Xilinx jeleket visszaalakítják double jelekké

• Gateway In - a doble típusú Simulink jelet átalakítják XILINX System Generator jellé és mintavételezési szerepe is van, mintavételezi a folytonos Simulink jeleket
• Gateway out - modul a Xilinx jeleket visszaalakítják double jelekké

Simulink – System Generator közti átmenet:

Quantization in this context refers to how the tools handle the LSBs of numbers. When a large floating point number is converted to a fixed point number, a lot of “unnecessary” precision is lost. Users must decide whether to “cut the precision off” (truncate) or to round the result for the nearest precision value.

Overflow in this context refers to how the tools handle the MSBs of numbers. When a large floating point number is converted to a fixed point number and the number is too large to be represented by the fixed point number scheme, users must decide whether to allow Wrap (the MSBs are dropped) or to Saturate the result (like when a counter reaches its max value) so that the maximum number is used for values greater than it

A `Gateway IN` valósítja meg a típuskonverziót a Simulink és FPGA között.
Az átmentet az FPGA lap és a Simulink szimulációs program között automatikusan hozza létre a System Generator környezet.

Jel típusok

• Előjel nélküli: Ufix_5_3 - 5 biten ábrázolt: 2 bit az egész részre és 3 bit a törtrészre
• Előjeles: Fix_16_8 - kettes komplemens 16 biten ábrázolva: 8 bit a törtrész Lebegőpontos szám fixpontossá alakításakor veszít a pontosságból, el kell dönteni, hogy kerekítjük, vagy levágjuk a biteket, ezt előre a pontossággal adjuk meg. Pontosságuk lehet:
• full precision
• User-specified precision
  • kvantálással: Truncate, Round
  • Túlcsordulással: Wrap, Saturate, Flag as error

Bit pontos (bit-true) és ciklus pontos (cycle true) modellezés

Bit szintű műveletek: Reinterpret, Combine, Convert, Extract Bit pontos (bit-true): System Generator és a Simulink tömbök határánál, a szimuláció során előállított érték bit szinten tökéletesen megegyezik a megfelelő pontban a hardver által generált értékkel ciklus pontos (cycle true): a határoknál a megfelelő értékek a megfelelő időben generálódnak

Mintavételezés

System generator fordítás után a megfelelő rész a megfelelő mintavételezéssel működjön..

• mintavétlezési periódus egy órajelből (clk) és az órajelhez kapcsolódó órajel engedélyező (CE) jelből áll elő. Az órajelet engedélyező jel periódusa az órajel periódusának egész számú többszöröse.
• a mintavételezési periódus alapján határozza meg, milyen órajel engedélyező jel kell
• felhasználó két paramétert ad meg: Simulink system period and FPGA clock period - Meghatározza a skálázási tényezőt a Simulink szimulációs idő és a hardveres implementációnak megfelelő idők között

System Generator

• Simulink system period: a mintevételezési periódus legnagyobb közös osztója példa:
  • P- Simulink modell periódusa
  • C- FPGA rendszer órajelének periódus
  • Egy szimuláció amely k*p egységet igényel a Simulink szimulációban, k órajelet igényel a hardverben (k*c [ns])

Hibakezelés

• Clock Probe
• Clock Enable Probe

Modulok importálása:

• entitások nevei nem egyezhetnek
• Két irányú portok nem jelennek meg a System Generatorban mint portok csak a HDL black box modulban
• órajel (clk) és órajel engedélyező (CE) csak párban működik, Clk, ce std_logic típusúak
• Lemenő élre triggerelt kimeneti adat nem alkalmazható

Black Box Configuration M-Function elemei

HDL modul a BlackBox tömbbel importálható

• Top_level modul neve
  • Meg kell határozni a top level entity-t és meg kell adni az alkalmazott Hardver Leíró Nyelvet: this_block.setEntityName(‘proba’);
  • VHDL Module: this_block.setTopLevelLanguage('VHDL');
  • Verilog Module: this_block.setTopLevelLanguage('Verilog');
• alkalmazott HDL nyelv (VHDL/Verilog)
• portok
  • Bemeneti port hozzáadása: this_block.addSimulinkInport('din');
  • Kimeneti Port hozzáadása: this_block.addSimulinkOutport('dout');
  • Kétirányú port hozzáadása config_phase = this_block.getConfigPhaseString; if (strcmpi(config_phase,'config_netlist_interface')) this_block.addInoutport('bidi'); -- Rate and type info should be added here as well end - Szimulációban nem jelenik meg !!
  • portok leírása:

   din = this_block.port('din'); 
   dout = this_block.port('dout'); 
   dout.setWidth(12); 
   dout.setBinPt(8);
   dout.makeUnsigned(); 

  Vagy

   dout = this_block.port('dout'); 
   dout.setType('Ufix_12_8'); 

  Kétirányú port esetében szimulációs adat mentése

   if (strcmpi(this_block.getConfigPhaseString,'config_netlist_interface')) 
   bidi_port = this_block.port('bidi'); 
   bidi_port.setGatewayFileName('bidi.dat'); 
   end 

  • mintavételezési ráta megadása: setRate határozható meg egy jel mintavételezési rátája

   setRate, dout.setRate(3); 
   --Kimeneti portok típusa és kimeneti ráta a bemenet függvényében:
   input_width = this_block.port('din').width; 
   input_rate = this_block.port('din').rate; 
   if (this_block.inputTypesKnown) 
   	dout.setWidth(this_block.port('din').width); 
   end
   
   if (this_block.inputRatesKnown) 
   	dout.setRate(this_block.port('din').rate*2);
   end  

• generikus paraméterek: addGeneric('dout_width','Integer','12');
  • konfigurációs függvényben a Generic paraméter beállításával skálázható a hardver
• órajel konfig: Egy szinkron órajel (single clock) vagy több aszinkron (multilpe independent clock)
  • órajel (clk) és az órajel engedélyező (ce) párban kell létezzenek,
  • a ce és clk a névben is szerepelnie kell: src_clk és a párja src_ce addClkCEPair('clk_3','ce_3',3);
• mintavételezési ráta
• kapcsolódó állományok
• van-e benne kombinációs logika

Kompilálás

• IP Catalog - IP mag hozható létre, hozzáadható a Vivado IP katalógusához, más tervben való alkalmazás céljából
• Hardware Co-Simulation (JTAG or Point-to-point Ethernet) - A ko-szimuláció során a Xilinx tömbökkel megadott rész, a szimuláció futása során az FPGA áramkörben hajtódik végre
• Synthesized Checkpoint - Creates a design checkpoint file (synth_1.dcp) that can then be used in any Vivado IDE project.
• HDL Netlist - Létrejön egy HDL netliszt, amely szintén felhasználható más tervekben

---

Téma 10 - Hardver ko-szimuláció

fájlok: System Generator_ERASMUS_2017_laptoprol_B_2017_12_01.pptx

Ebben a részben a hallgató megismerkedik a harver ko-szimulációval. Simulink (System Generator) környezetben megvalósított hardverre lehetőség van a szimuláció futtatása során, hogy a Simulink modelből az az FPGA modulok a szimuláció közben az FPGA áramkörben fussanak le.

Ebben a részben System Generator hardver ko-szimuláció típusú terv létrehozása van bemutatva. Ez az üzemmód lehetővé teszi például egy eszköznek: robot kar, adatgyűjtésre szolgáló modul, Simulink környezethez való csatolását és a rendszereken futó feladatok gyors tesztelését.

Nagyon rövid idő alatt van lehetőség ötletek kivitelezésére, megvalósíthatóságának tesztelésére. A System Generatorban tervezett FPGA egységből létrehozható egy IP modul, amely például a Vivado eszközzel integrálható egy nagyobb tervbe. A diákok a modul elsajátítása után képesek lesznek hardver ko-szimulációs típusú feladatok megvalósítására és ötleteikből kiindulva FPGA áramkörbe konkrét feladatokat gyakorlatba ültetni.

• Simulink szimuláció során a modell egy részének az FPGA áramkörben való végrehajtását
• Simulink és FPGA eszköz közötti kommunikációs interfészt automatikusan létrehozza a System Generator tervezőeszköz, lehet: JTAG, Ethernet
• fordítás után létrejön egy Simulink tömb, ezen keresztül megy a kommunikáció a lappal

FONTOS: Az FPGA fejlesztőlapot, amelyen szeretnénk a hardver ko-szimulációt futtatni, fel kell telepíteni a számítógépre: telepítés instrukciók, master-board fájl letölltés

Órajel

Single clock üzemmód

Alapértelmezetten a szimuláció csak a JTAG órajelre működik, ezért Multiple clock domain-t kell létrehozni, a tervet két modulra kell bontani, az egyikben JTAG interfész en átvitt jelek kerülnek, a másikon rendszer órajelén működő részek.

Multiple clock domain

Mindkét modulon külön órajelre sznikronizáljuk a Simulinkhez kapcsolódó jeleket (modulok) I/O portokat JTAG órajeleket (jtag_clk) és az FPGA-hoz kapcsolódó kimeneti jeleket (modulok) sys_clock

Órajel létrehozása:

set_property -dict { PACKAGE_PIN L16   IOSTANDARD LVCMOS33 } [get_ports { sys_clock }];
create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports { sys_clock }];

be kell másolni az .xdc állományba: netlist_mclk\hwcosim\pwm_mclk.srcs\constrs_1\imports\sysgen\pwm_mclk_clock

---

Téma 11 - Magas szintű szintézis - Bevezető

fájl: High_Level_Synthesis_SZIR_FMR_2017_okt_31_hu_2017_12_01.pptx

Ebben a részben a hallgató megismerkedhet a magas szintű szintézissel. A téma keretében rámutatunk a magas szintű szintetizáló eszközök lényegére, vagyis egy maga szintű programozási nyelven specifikált feladatból lehetőség van hardver modulok létrehozására. A téma keretében részletezve vannak a magas szintű szintetizáló eszközök alkalmazásának előnyei. A hallgatónak a téma elsajátítását követően rálátása lesz a magas szintű szintézisre: milyen szintetizáló eszközök alkalmazhatóak, a fontosabb lépések, részfeladatok, melyeket a HLS eszközök követnek a C, C++, System C specifikációból kiindulva az RTL szintű modell létrehozásáig.

Megmutatjuk a HLS eszközökkel kapcsolatosan felmerülő kérdéseket. Tárgyalva vannak a HLS alapú tervezésben alkalmazott architektúra szintű kényszer típusok, modul hierarchia, interfész, memória, ciklus szintű kényszerek, időkorlátok, iteráció szintű kényszerek.

A magas szintű szintézisről három előadás keretében mélyítheti el ismereteit a hallgató.

Az első, bevezető részt követő részben részletekbe menően tárgyaljuk a HLS szintetizálás során a feladatok ütemezését, erőforrás kiosztást, tömb és ciklusoptimalizálási ötleteket.

A harmadik részben konkrét feladatnak Vivado HLS környezetben való bemutatására kerül sor.

Beágyazott rendszerek tervezése

• Bonyolult SoC és multimédia alkalmazások (Hosszú tervezési idő)
  • Hálózat az integrált áramkörben
  • Több intelligens erőforrás (több master egység) (CPU, DMA,…)
  • Több megabájtnyi programkód
  • A beágyazott rendszeren futó beágyazott operációs rendszer
  • Osztott memória
• SoC tervezési problémák
  • A szoftver komplexitása (az algoritmus komplexitása)
  • Eszközök a beágyazott hardver tervezéshez/beágyazott szoftver (OP) tervezéshez
  • A piacra kerülési idő (a hagyományos módszerekkel hosszú )
  • IP magok újra felhasználása
  • Magas szintű szintetizáló eszközök alkalmazása
  • Tervezési lehetőségek felkutatása
• A magas szintű szintézis csak egy kis része a magas szintű tervezésnek

Tervezőeszközök

tervező eszköz hozza létre az RTL szintű implementációt

• Vivado HLS (XILINX)
• Synopsys (Synphony C Compiler High-Level Synthesis from C/C++ to RTL)
• Cadence® Stratus™ High-Level Synthesis (HLS)

Magas szintű szintézis (HLS)

wikipedia, xilinx.com/.../esl-design.html

- Vivado HLS meghatározza melyik műveletet melyik ciklusban kell elvégezni (ütemezés)
- Meghatározza melyik művelet végrehajtására, milyen hardveregységet alkalmaz 
- Ehhez:
	- Beépített alapértelmezések betartása
	- meghatározott alapelvek (direktívák) és kényszerfeltételek felülírják az alapértelmezett beállításokat
	- Késleltetések és területhasználat kiszámítása az alkalmazott technológia/eszköz függvényében

Meghatározás: automata vagy félautomata módon létrehoz egy RTL szintű leírást egy viselkedési szinten megadott specifikációból.

Bemenet:

• Viselkedés szintű specifikáció
• Tervezési kényszerek
• Könyvtárelemek az elérhető RTL komponensekkel

Kimenet:

• RTL leírás
• Teljesítmény értékelés
• Milyen gyorsan sikerül a számítást elvégezni?
• Mennyi hardver erőforrásra van szükség?
• Mennyire hatékonyan sikerült létrehozni egy pipeline struktúrát?

**Direktívák prioritása:

1. Teljesítmény teljesítése (idő & áteresztőképesség)
2. Késleltetés (latency)
3. Területhasználat optimalizálása**

Magas szintű szintézis –az algoritmus leírása valamilyen magas szintű programozási nyelven (System C, Ansi C/C++, Matlab)

A magas szintű kód analízise, architektúra szinten kényszereknek való alávetése és megfelelő ütemezése után létrejön egy terv RTL (Register Transfer Level) absztrakciós szinten, valamilyen hardver leíró nyelven (például VHDL, Verilog).

Tervező eszköz által hardver leíró nyelven létrehozott tervet egy logikai szintetizáló eszközzel szintetizálva elkészül a hardver

A hardver tervezés történhet különböző absztrakciós szinten. Általában alkalmazott absztrakciós szintek:

• Kapu szintű absztrakció
• Regiszter szintű absztrakció
• Algoritmus szintű absztrakció

A tervező leírja a modulok funkcionalitását és megtervezi a modulok közötti kommunikációhoz a protokollt A magas szintű szintetizáló eszköz kezeli a mikro-architektúrát (RTL), átalakítja az időkorlát nélküli vagy részlegesen időzített funkcionális kódot teljesen időzített RTL megvalósításra, automatikusan létrehozza az órajel szintű részletes hardvert. Az elért (RTL) megvalósításhoz használnak egy hagyományos logikai szintetizáló eszközt, amely létrehozza a kapu-szintű megvalósítást.

Automatizált tervezés:

• értelmezi egy kívánt viselkedés algoritmus szinten való leírását
• létrehoz egy digitális hardvert, amely megvalósítja a tervet

HLS-re szakirodalomban alkalmazott kifejezések:

• C synthesis
• electronic system-level (ESL) synthesis,
• algorithmic synthesis
• behavioral synthesis

Gyakran alkalmazott programozási nyelvek: C, C++, SystemC, Matlab kódból képesek hardvert szintetizálni.

célja: hardver tervezők sázmára biztosítja a hardver tervezését, tesztelését, ellenőrzését, feladat leírás magas absztrakciós szinten.

**részfeladatai: **

• Lexikális feldolgozás (Lexical processing)
• Algoritmus optimalizálása (Algorithm optimization)
• Vezérlés/Adatfolyam analízis (Control/Dataflow analysis)-
  • Elvégzendő műveletek felderítése
  • Adatfüggőségek felderítése
• Könyvtár processzálás (Library processing) –lehetséges erőforrások keresése az elvégzendő műveletek megvalósításhoz
• Erőforrás kiosztása (Resource allocation) -az erőforrások hozzárendelése az elvégzendő műveletekhez (az adatút kialakítása)
• Erőforrások ütemezése (Scheduling)
  • Az erőforrások ütemezése (melyik műveletvégző egységet mikor kell működtetni)
  • Alegységek szinkronizálása
  • A vezérlőegység kialakítása
• Funkcionális egységek hozzárendelése (Functional unit binding )
• Regiszterek csatolása (Register binding)
• Kimenetek processzálása

automatikusan alkalmazhatóak kényszerek (megszorítások) az architektúrára:

• Hierarchia – a modulok hogyan épülnek hierarchikusan egymásra
• Interfész (Interface): Meghatározni milyen interfészen valósul meg kommunikáció különböző modulok között
• Memória (Memory) - Milyen méretű memóriából lehet kialakítani egy tömböt, ha egy adatsort memóriába tároltam, akkor csak szekvenciálisan tudom kiolvasni vagy beírni az adatokat
• Ciklus szintű kényszerek (Loop) - Egy adott ciklust hogyan szeretnék megvalósítani (pipeline, párhuzamos)
• Alacsony szintű időkorlátok (Low-level timing constraints) - Milyen frekvencián működik a rendszer?, Két jel között mekkora lehet a maximális késés? Minimum milyen frekvencián mintavételezek egy jelet?
• Iteráció szintű kényszerek

Interfész szintézis

A bemeneteket leírva egyszerűen C/C++ nyelven és alkalmazva egy automatizált interfész szintetizáló technológiát, amely az interfészen megoldja az időzítéseket (szinkronizálást) és az interfészhez hozzárendeli a kommunikációs protokollt

Kiválasztom a tervezés során az interfész típusát => a tervezőeszköz létrehozza.

Hardver interfész opciók:

• Adatfolyam (streaming)
• Egy portos BRAM memória
• Két portos BRAM memória
• FIFO modulok
• Kézfogás alapú mechanizmusok

HLS előnyei

• Algoritmus szintű absztrakció, Adat típusok (egész, fix pontos, lebegőpontos aritmetika Interfészek (FIFO, AXI4, AXI4-Lite, AXI4-Stream)
• Könyvtár elemek széleskörű választéka tetszőleges pontosságú adattípusok Video feldolgozáshoz könyvtári elemek DSP Memóriamodulok
• Kényszerfeltételekkel definiált architektúra Leghatékonyabb megoldás feltárása
• Gyorsított ellenőrzés C / C ++ programkód használatával Tesztpad létrehozása Szimuláció Szintézis

HLS hátrányai

• Hatalmas tervezési tér
  • Komplex tervezési tér feltárás
  • Több kritériumon alapuló optimalizáló technikák
    • Minél gyorsabb legyen az algoritmus
    • Lehető legkevesebb elemet alkalmazzak
  • Adatcserére alkalmazott szabványok hiánya
  • SoC szimulációs idő kulcsfontosságú kérdés
• A HLS technikának a tervezők által való elfogadása! (nem kis gond)
  • A beágyazott rendszert tervező (HDL) és a HLS eszközt tervező (C,C++) között egy közös nyelv találása
    • Beágyazott rendszer tervező HDL
    • HLS eszköztervező C stb.

HLS technikai problémák

• PC: Kompilálás: a cél architektúra teljes mértékben ismert
• HLS-sel való tervezés: a cél architektúra csak parciálisan ismert
  • Adatfolyam/szisztolikus tömbök: RTL leírás
  • Adat utat tartalmazó véges állapotú automata: processzoron futó alkalmazáshoz közel álló leírás
• HLS technikai kérdések:
  • Kezdeti specifikáció formátum / nyelv?
  • Specifikáció finomítása : egész számok (előjeles, előjel nélküli, fixpontos aritmetika, lebegőpontos aritmetika)
    • Matlabban nem igazán foglalkozunk az adattípussal (double)
  • Ütemezés/Erőforrás hozzárendelés finomítása: erőforrás kényszerek
  • Technológiai erőforrás hozzárendelés finomítása (például FPGA áramkörön valósítom meg, milyen családú FPGA)

Kezdeti specifikáció formátum

C-alapú nyelvek (hardver leíró nyelvek): Handel-C, Silicon-C,Hardware-C ,System-C

gondok:

• Hogyan fejezzük ki a párhuzamos vagy szekvenciális működést? Adatfolyam alapú / Szekvenciális processzálás / Eseményvezérelt
• Hogyan alkalmazzunk algoritmikus és RTL alapú leírást
• Mit specifikáljunk előre: Ciklusok, Interfészek?
• Hogyan vezessünk be kényszereket, tanácokat?

Aritmetika

Kérdés: hogyan térek át lebegőpontos aritmetikáról fixpontos aritmetikára

Fixpontos aritmetikában a ciklusok kezelése nehezen automatizálható, Például jelfeldolgozás esetén a jelfeldolgozó algoritmus segíthet a fix pontos aritmetika rögzítésére

Ütemezés/Erőforrás kiosztás

Megoldás a ciklusok kezelésére:

• Kifejteni, Loop nest optimization, Loop unrolling
• (Static/Dynamic unrolling), Loop tiling
• Szekvenciálisan megvalósítani ötletek:

memóriakiosztás:

• általában erősen felhasználó irányított => Aktív kutatási terület
• Kommunikáció finomítása szintén fontos kérdés: Nagymértékben függ a számítási modelltől

Szempontok egy modul specifikációjára:

C függvény

• A függvény megírása során legelőször a létrehozandó hardver egység specifikációit kell tanulmányozni.
• Meg kell határozni a modul bemeneteit és kimeneteit.
• A függvény paraméterei képezik a modul bemeneteit, és a függvény visszatérítési értékei pedig a modul kimeneteit.
• Fontos az erőforrás takarékosság, ezért optimális adattípusokat kell használni.
• Mivel a C nyelv bájt alapú adattípusokra épül, ezért a Vivado HLS rendelkezik egy Arbitrary Precision Data Types nevű könyvtárral, amely segítségével az alkalmazás által megkövetelt pontos adatméreteket használhatjuk.
• Egy másik fontos szempont a lebegőpontos műveletek használata, mivel ez nagyban befolyásolhatja a modul erőforrás igényét.

Korlátok

• A legfontosabb korlátokat a cél FPGA áramkör kiválasztásánál határozzuk meg, a Vivado HLS a technikai adatok alapján végzi el a szintézist.
• Egy másik korlát, amelyet a tervező állít be, az az órajel periódusa (ns), ez befolyásolja, hogy egy ciklus alatt hány műveletet képes elvégezni a hardveregység.

Direktívák

• különböző irányelvek, amelyeket a Vivado HLS figyelembe vesz a szintetizálás során.
• Ezek függvényében optimalizálja a tervezőeszköz a lefordított kódot.
• A direktívák segítségével pipeline-osíthatunk műveleteket
  • leoszthatunk műveletcsoportokat több hardver elemre
  • interfészeket alakíthatunk ki a modulok számára
  • stb
• direktíta típusok:
  • Interfész:
    • globális változókhoz
    • top_level függvény paramétereihez
    • függvény visszatérítési értékéhez rendelhető
  • Függvény: - függvény fejlécére alkalmazhatóak, művelet végrehajtási stratégiákat határozhatnak meg
  • ciklusok:
    • ciklusokra címkékkel (label) lehet hivatkozni
    • művelet végrehajtási stratégiák:
      • Pipeline
      • Unroll
      • loop_merge
      • stb
  • Tömbök: memória hozzárendelés meghatározása

IP mag létrehozása

Specifikáció meghatározása:

• a rendszer kimeneteinek, illetve bemeneteinek meghatározása
• használni kívánt adattípusok, adatméretek meghatározása
• algoritmus kiválasztása
• céleszköz kiválasztása Algoritmus implementálása C nyelven - függvények megírása, a fügvényeket a top_level függvény kapcsolja össze

Teszt fájl (Test Bench) - segítségével debug-olni, tesztelni, szimulálni lehet a rendszert.

I/O portok beállítása - a változókhoz hozzá kell rendelni egy-egy I/O protokollt, hogy kommunikálhasson a modul a rendszer többi elemével

Kommunikációs interfész hozzárendelése a portokhoz - a modul sínrendszerre való kapcsolásához szükség van interfész hozzárendelésére, (például AXI4 interfész), ez a Vivado HLS-ben direktívák segítségével

Szintézis végrehajtása, jelentések elemzése - újabb optimalizálás elvégzése, újabb direktívák meghatározása

hardver egység IP magként való exportálása - EDK-ban vagy Vivado-ban felhasználható formátumban

---

Téma 12 - Magas szintű szintézis II

Ebben a részben részletesen megnézzük, milyen lehetőségek is vannak magas szintű C, C++ forráskódból hardvert létrehozni. Ugyanabból a forráskódból kiindulva különböző architektúrával rendelkező hardver hozható létre. Tárgyalva van, hogyan is valósul meg a HLS szintetizálás során a műveletek ütemezése, erőforrások kiosztása, tömbökre és ciklusokra milyen optimalizálási kényszerek alkalmazhatóak. Kiemeljük egy C forráskód jellemzőit, amelyek befolyásolják a szintetizálandó hardver struktúráját, erőforrásigényét, a feladat elvégzéséhez szükséges óraciklusok számát.

fájlok: HLS két vektor összegének kiszámítása - 20200426

A magas szintű szintézis

• C forráskódból egy RTL szintű implementációt hoz létre
• kiemeli (meghatározza) a kontroll és adatfeldolgozási részeket
• alapértelmezett és felhasználó által alkalmazott direktívák (directives) alapján létrehozza a tervet C, C++, SystemC / Constraints, Directives => Vivaldo HLS => VHDL, Verilog, SystemC => RTL Export

HLS-alapú tervezés és tesztelés folyamata

Terv megvalósítása direktívák függvényében

Vegyük az alábbi programrészletet

acc=0;
ciklus: for (i=3;i>=0;i--) {
	if (i==0) {
		shift_reg[0]=x;
	} else {
		shift_reg[i]=shift_reg[i-1];
	}
	acc+=shift_reg[i]*c[i];
}
*y=acc;

Ugyanaz az erőforrás van alkalmazva minden ciklusban: -kevés erőforrás -több órajelciklus -alacsony teljesítmény

**Ciklus mindenik iterációjában más hardver erőforrás van alkalmazva

• nagyobb erőforrásigény
• Kevesebb órajelciklus
• Nagyobb áteresztőképesség**

**Különböző ciklusok konkurensen vannak alkalmazva:

• Nagy erőforrásigény
• Kevesebb órajelciklus
• Jó áteresztőképesség**

Vezérlkés mehatározása

Az alábbi szerkezet leprogramozása: Alábbi módon:

						-- Elvégzendő műveletek kiemelése
						-- Rd x
						-- Rd c
loop: for (i=3;
	   i>=0;				-- >=
	   i--) {				--  -
	if (i==0) {				-- ==
		shift_reg[0]=x;
	} else {				--  -
		shift_reg[i]=shift_reg[i-1];
	}
	acc+=shift_reg[i]			-- +
	*c[i];					-- *
}
						-- Wr y

Kód egyben:

void fir_szuro (data_t *y,coef_t c[4],data_t x)
{	-- FÜGGVÉNY KEZDETE
static data_t shift_reg[4];
acc_t acc;
int i;
acc=0;
loop: for (i=3;i>=0;i--) {	-- -- CIKLUS KEZDETE
if (i==0) {
shift_reg[0]=x;
} else {
shift_reg[i]=shift_reg[i-1];
}
acc+=shift_reg[i]*c[i];
}	-- CIKLUS VÉGE
*y=acc;
}	-- FÜGGVÉNY VÉGE

Ütemezés és erőforrás kiosztás

void proba()
{
	X1= A+B;
	X2=C*X1;
	X3=D*X2;
	X4=X3-E;
}

Ütemezés

Az ütemezés meghatározza, hogy egy adott műveletet melyik órajelre fog végrehajtódni figyelembe véve:

• A vezérlést
• Az adatfolyamot
• A tervező által meghatározott megkötéseket (direktívákat)
• Az erőforrások kiosztására kényszerfeltételeket lehet meghatározni Az adatfüggőséget a műveletek ütemezésénél kötelező betartani A műveletek a vezérlő folyamatban óraciklusokra van leképezve

Minden műveletet egy órajelre hajtunk végre

A technológia és a tervező által meghatározott kényszerfeltételek hatással vannak az ütemezésre

Egy gyorsabb technológia (vagy egy lassabban működő rendszer) lehetővé teszi egy órajel alatt kettő vagy akár több művelet elvégzését

Erőforrás kiosztás

Meghatározza, hogy minden egyes elvégzendő műveletre, melyik könyvtárelemet alkalmazza

• Az erőforrás kiosztásnál figyelembe veszi az egyes komponenseken a késéseket
• A felhasználó által megadott kényszerfeltételeket Az erőforrás kiosztó leképezi a műveleteket a könyvtárban elérhető hardver elemekre Az erőforrás kiosztó eldönti-alkalmazunk-e megosztott erőforrás
• a két szórást egy szorzó modullal vagy két szorzómodullal végezzük
• Az összeadásra és kivonásra alkalmazunk egy megosztott összadó-kivonó (addsub) áramkört

A műveletvégző egységek megosztása (multiplexelés) befolyásolja az időzítést, az időkorlát meghatározza, hogy alkalmazható-e a megosztott erőforrás

C kód jellemzői hardvertervezés megközelítésből

**Függvény:** a programkód függvényekbe van szervezve, amely meghatározza a tervezési hierarchiát
**Top level Ki/Be menetek:**  a legfelső szinten található függvény argumentumai meghatározzák az RTL hardver interfészének portjeleit
**Típusok:** A változókhoz rendelt típusok befolyásolják a hardver teljesítményét és területhasználatát
**Ciklusok:** a ciklusok a hardverben való megvalósítása szintén nagymértékben befolyásolják a teljesítményt és területhasználatot:
**Tömbök:** befolyásolják  modul ki/bemeneteit és a szűk keresztmetszetet. A tömbök általában memóriaelemekkel vannak megvalósítva. A tömböknek kisebb tömbökre való felosztása csökkenti a műveletvégzéshez szükséges órajel ciklusokat  
**Műveletek:** erőforrás megosztás-> terület csökkentés vagy speciális hardver kialakítás-> kitűzött teljesítmény elérése

Függvények és RTL hierarchia

Minden egyes függvényből egy RTL blokk jön létre
- több függvényt egybe lehet vonni, ezáltal megszüntetni a hierarchiát
- Kisebb méretű függvények automatikusan összevonhatóak

void A() {//A fűggvény }
void B() {
E();
}
void C() {
E();
}

void D() {//A fűggvény }

void A() {//A fűggvény }
void A() {//A fűggvény }
void A() {//A fűggvény }

void felso_szint(){
A();
B();
C();
D();
}

felso_szint ->  A
		A -> B -> E
		A -> C -> E
		A -> D

Top Level IO Port jelei

Felső szintű függvény argumentumai – minden egyes argumentumnak megfelel egy hardver port típus

Ha függvény argumentumában van megadva egy tömb

• A tömb/memória a modulon kívül található
• Az alkalmazott memória típusa meghatározza a felső szintű függvény IO portjeleit
• Az interfészen alkalmazott tömbök feloszthatóak (részlegesen vagy teljesen)
• Teljes particiónálás esetén minden egyes címen található szó egy-egy regiszterre van felosztva
• Ha a teljesítmény javítható Dual Portos BRAM memóriát kell alkalmazni, ellenkező esetben egy portos

Standard C típusok:

• char (8 bit), shot (16 bit), int (32 bit), long int (64 bit)
• unsigned
• float (32 bit), double (64 bit)

Tetszőleges pontosságú típusok

• C: ap(u)int típus: (1-1024 bit)
• C++:
  • ap_(u)int típus (1-1024 bit)
    • ap_fixed típus
• C++/System C:
  • sc_(u)int típus (1-1024 bit)
  • sc_fixed

Ciklusok

Alapértelmezetten a cikluson nincsenek kiterjesztve (szekvenciális megoldás)

minden egyes ciklus iterációs ugyanabban az állapotban van végrehajtva, ugyanazzal az erőforrással van megvalósítva

• A ciklusok kifejthetőek, ha előre ismert az iterációk száma és az iterációk száma nem változik
• Több erőforrást kell ütemezni, viszont megnő a műveletek mobilitása

Ütemezés a ciklus optimalizációt követően

• az iterációból származó függőség megszűnik
• műveletek párhuzamosan elvégezhetőek ha az adatfüggőség lehetővé teszi vagy ha művelet időzítése megengedi

void fir_szuro (data_t *y,coef_t c[4],data_t x)
{
static data_t shift_reg[4];
acc_t acc;
int i;
acc=0;
loop: for (i=3;i>=0;i--) {
if (i==0) {
shift_reg[0]=x;
} else {
shift_reg[i]=shift_reg[i-1];
}
acc+=shift_reg[i]*c[i];
}
*y=acc;
}

HLS-ben alkalmazott tömbök C programkódban alkalmazott tömb az RTL –ben egy memóriával van megvalósítva, alapértelmezett esetben a tömb egy BRAM (vagy adott esetben FIFO). A tömbök feldarabolhatóak kisebb tömbökre (kisebb méretű memóriákkal megvalósítva). A tömbök összevonhatóak más tömbökkel. A tömbök bármely könyvtárbeli memória erőforrásra leképezhetőek.

Ütemezés tömb optimalizációt követően Megadott programkód az alapértelmezett beállítások mellett:

• C port dual portos BRAM
• Órajelenként lehetővé tesz két beolvasást (mindkét porton egyet-egyet) A C port 4 különálló portra való particiónálása esetén
• mind a négy beolvasás megoldható egy órajel alatt
• ha az időzítés megengedi az összeadás elvégezhető ugyanabban a ciklusban
• az eredmény kiírása is elvégezhető ugyanabban a ciklusban

Művletek Műveletvégző egységek méretét meghatározza a változok típusa. Szintetizáló eszköz próbálja csökkenteni az elvégzendő műveletek számát csökkenti a területet, de csak miután a kényszerfeltételek teljesítve vannak.

A műveletekhez

• meghatározható milyen hardver erőforrás legyen alkalmazva
• meghatározható, hogy egy adott erőforrásból hány darabot szeretnénk felhasználni

C jóváhagyás és RTL ellenőrzés Két lépésben:

• Szintézis előtt: C jóváhagyás
  • Ellenőrizzük, hogy az algoritmus helyes, gyors
  • Próbapad
  • A függvény fölé épül a main
• RTL ellenőrzés
  • Lehetőség ko-szimulációra az eredeti próbapad alapján

Téma 13 - Magas szintű szintézis III

Ebben a részben részletesen tárgyaljuk az interfészek kialakítására alkalmazott modul és argumentumszintű kényszereket, direktívákat. A hallgató megismerkedik a Vaivado HLS környezetben alkalmazható kényszer lehetőségekről. Az ötletek elsajátítását követően a diák képes lesz valós feladatok megoldására alkalmazni a HLS tervezőeszközt, és feladatspecifikusan kiválasztani a megfelelő kényszerfeltételeket.

Ebben a részben alkalmazzuk a tervezőeszközt egyszerű feladatok megoldására és különböző kényszerfeltételek gyakorlati szinten való alkalmazására. Értelmezzük az eredményeket, exportálva a megoldást System Generator környezetbe, és összehasonlítjuk ugyanarra a feladatra különböző direktíváknak az alkalmazását.

Megjelenítve System Generator környezetben a létrehozott hardver modult, azonosíthatjuk a modul szinten és argumentum szinten létrejött protokoll jeleket.

fájlok: Szemafor HLS megvalósítása, HLS_peldak_v4_b_2017_12_01.pdf