4.3 Мова опису цифрових систем vhdl

Мова Very high speed integrated circuits Hardware Description Language (VHDL) була розроблена в 1983 р. за наказом Міністерства оборони США з метою формального опису цифрових систем (ЦС) для усіх етапів розробки електронних систем. Діючим стандартом мови є стандарт IEEE Std. 1076-1993.

VHDL – мова паралельного програмування, що дозволяє використовувати її для опису і моделювання ЦС. Формат цього документу не дозволяє навести повний опис мови VHDL. Детальна інформація з цього питання міститься в [3-7].

4.4 Модель мікропрограмного автомату

Метою лабораторної роботи є створення моделі МПА Мура за граф-схемою алгоритму і перевірка його роботи засобами мови VHDL.

На рис.4.4 зображена структурно-функціональна організація моделі, що проектується. Блок "Модель МПА" – це файл мовою VHDL, що містить опис автомата. Блок "Випробувальний стенд" теж реалізований засобами мови VHDL. Він призначений для генерації тестової послідовності – вхідних сигналів X, RESET і CLK та перевірки правильності формування послідовності мікрокоманд (вектор Y).

Рисунок 4.4 – Структурно-функціональна організація моделі

Призначення сигналів:

X – вектор вхідного сигналу, що відповідає логічним умовам, що перевіряються;

Y – вектор вихідного сигналу, що відповідає мікроопераціям, що формують МК, яка відповідає поточному стану автомату;

CLK – вхідний сигнал синхронізації;

RESET – асинхронний скид МПА (установлення початкового стану a₁).

Алгоритм А4.1 – Порядок створення моделі

1. Розмітка ГСА автомата.

2. Визначення множини станів автомата А = {a₁,..,a_M}.

3. Визначення початкового стану автомата a₁.

4. Визначення вхідного алфавіту Z={z₁,..,z_F} і множини логічних умов X={x₁,..,x_L}.

5. Визначення вихідного алфавіту (можини мікрокоманд) W = {w₁,..,w_G} і множини мікрооперацій Y = {y₁,..,y_N}.

6. Складання мнемонічної форми прямої структурної таблиці.

7. Складання опису МПА мовою VHDL.

8. Створення графу переходів МПА за допомогою майстра Code2Graphics САПР Active-HDL.

9. Аналіз графу переходів МПА, складання тестової послідовності і відповідної програми для випробувального стенду мовою VHDL.

10. Перевірка роботи МПА, отримання часових діаграм.

На рис.4.5,а показана відзначена за алгоритмом А4.2 ГСА мікропрограмного автомата S₁, алгоритм роботи якого був заданий (рис.4.2,б). На рис.4.5,б показаний еквівалентний граф переходів Г(S₁).

Алгоритм А4.2 – Розмітка ГСА для МПА Мура

1. Символом a₁ позначаються початкова і кінцева вершини.

2. Різні операторні вершини позначаються різними символами.

3. Всі операторні вершини повинні бути відзначені.

Приклад П4.2 – Виконання обходу від стану-передавача a_m до стану-одержувача a_s

В якості прикладу виконаємо обхід від стану a₆ (a_m = a₆) до стану a₈ (a_s = a₈) (див. рис.4.5,а). На цьому путі лежать умовні вершини, яким відповідає вектор ЛУ .

а – відзначена ГСА МПА Мура S₁; б – граф переходів Г(S₁)

Рисунок 4.5 – Розмітка граф-схеми алгоритму

Коротко факт переходу від стану-передавача a_m до стану-одержувача a_s позначають (a_m, a_s). Якщо на переході (a_m, a_s) є умовні вершини, то такий перехід називається умовним. Якщо на переході (a_m, a_s) умовних вершин нема, то перехід називається безумовним (виконується за будь-яких ЛУ).

Під час обходу ГСА треба вміти правильно розпізнавати особливі переходи. Можливі чотири випадки: контур, цикл, безкінечний цикл, мертвий перехід (рис.4.6).

а – контур; б – цикл; в – безкінечний цикл; г – мертвий перехід

Рисунок 4.6 – Особливі форми переходів

Перехід виду (a_m, a_m) називається рефлексивним. Переходи виду (a_m, a_s) і (a_s, a_m) називаються симетричними. Переходи виду (a_m, a_i) і (a_i, a_s) називаються транзитивними. Стани автомату, що пов‘язані між собою переходами, які є одночасно рефлексивними, симетричними і транзитивними, називаються еквівалентними.

В результаті аналізу ГСА МПА S₁ , що відзначена за алгоритмом A4.1, були отримані результати:

алфавіт станів – A = {a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, a₇, a₈};

кількість станів M = 8;

початковий стан – a₁;

вхідний алфавіт – Z = {z₁, z₂, z₃, z₄, z₅, z₆, z₇, z₈, z₉};

z₁ = ; z₂ = ; z₃ = ; z₄ = ; z₅ = ; z₆ = ; z₇ = ; z₈ = ; z₉ = .

кількість вхідних слів F = 9;

множина логічних умов – X = {x₁, x₂, x₃, x₄};

кількість логічних умов L = 4;

алфавіт мікрокоманд – W = {w₁, w₂, w₃, w₄, w₅, w₆, w₇};

w₁ = y₁y₃; w ₂ = y₂; w ₃ = y₂y₃; w ₄ = y₁y₄; w ₅ = y₄; w ₆ = y₅; w ₇ = y₆.

кількість мікрокоманд G = 7;

множина мікрооперацій – Y = {y₁, y₂, y₃, y₄, y₅, y₆};

кількість мікрооперацій N = 6.

В табл.4.4 наведена мнемонічна форма (МФ) прямої структурної таблиці (ПСТ) автомата Мура. Вона має чотири стовпці: a_m– стан-передавач; a_s – стан-одержувач; X(a_m, a_s) – ЛУ, що відповідають шляху від стану a_m до стану a_s; Y(a_s) – сукупність МО, що відповідає стану-одержувачу a_s.

Таблиця 4.4 – Мнемонічна форма структурної таблиці

№ переходу	am	as	X(am, as)	Y(as)	Тип переходу
1	a1	a2	1	y1y3	безумовний
2	a2	a2		y1y3	контур
3		a3		y2y3	умовний
4		a4		y4	умовний
5		a6		y2	умовний
6	a3	a5	1	y1y4	безумовний
7	a4	a1		-	умовний
8		a7		y5	умовний
9	a5	a1		-	умовний
10		a7		y5	умовний
11	a6	a5		y1y4	умовний
12		a6		y2	контур
13		a8		y6	умовний
14	a7	a8	1	y6	безумовний
15	a8	a1	1	-	безумовний