Языки описания схем

Обязательный курс для студентов группы 518/2. Курс проводит Подымов В.В.

Материалы занятий

Здесь будут выкладываться план и слайды занятий по мере их проведения

Блок 1. Небольшое вступление и организационные вопросы.

Блок 2. КМОП-транзисторы: как это работает, и причём тут схемы из функциональных элементов.

Блок 3. Комбинационные схемы.

Блок 4. Последовательные схемы, и немного о тактовом сигнале

Блок 5. Модули. Шины. Регистры. RTL.

Блок 6. Практика: построение последовательных схем.

Блок 7. ASIC и ПЛИС.

Блок 8. Verilog: базовый синтаксис.

Блок 9. Verilog: симуляция.

Блок 10. Практика: Verilog (база).

Блок 11. Что такое процессор. Архитектура системы команд.

Блок 12. Основные функциональные блоки процессора.

Блок 13. Verilog: синтез.

Блок 14. Понятия операционного и управляющего автоматов.

Блок 15. Как спроектировать операционный автомат. Комбинационный управляющий автомат.

Блок 16. Процессор: операционный автомат, комбинационный управляющий автомат.

Блок 17. Как спроектировать управляющий автомат.

Блок 18. Verilog: немного синтаксического сахара.

Блок 19. Verilog: реализация управляющего автомата.

Условия получения зачёта

Необходимое и достаточное условие получения зачёта - это выполнение большого задания, коротко описываемого так: спроектировать и функционально протестировать процессор на языке Verilog.

Обязательное требование для операционного и управляющего автоматов процессора (части 1-3): они должны полностью удовлетворять стандарту синтеза (блок 13).

Макроопределения для удобной работы с архитектурой системы команд блока 11.

Часть 1

Спроектировать на языке Verilog основные функциональные блоки процессора (блок 12) для модельной архитектуры системы команд (блок 11). Фактическое число ячеек в памяти данных можно выбирать произвольным - достаточным для полноценной наглядной функциональной симуляции. По согласованию может быть выбран и другой набор особенностей архитектуры процессора (другая система команд, другая конфигурация блоков, ...).

Часть 2

Используя написанные в части 1 модули, спроектировать операционный автомат процессора (блок 16) с модельной архитектурой системы команд (блок 11) на языке Verilog.

По желанию, рекомендуется: спроектировать и программно просимулировать однотактовый процессор.

По согласованию может быть выбрана другая архитектура системы команд (например, совместимая с архитектурой MIPS).

Часть 3

Добавив к спроектированному в части 2 операционному автомату подходящий управляющий автомат, спроектировать процессор с модельной архитектурой системы команд (блок 11) со следующими особенностями работы.

Сложный вариант для желающих лучше разобраться в управляющих автоматах

• Он имеет тактовый вход clk, вход сброса rst, а также однобитовые входы hold, step и go.
• Он имеет три режима работы: обычный (команды выполняются одна за одной согласно семантике), приостановленный (выполнение команд контролируется сигналами на входах) и заблокированный.
• Он выполняет каждую команду оптимально по времени в предположении о том, что каждый основной функциональный блок (блок 12) распространяет сигнал за 1 единицу времени, а остальные подсхемы работают мгновенно.
• По переднему фронту clk: если hold = 1, то процессор не выполняет команду, и вместо этого переходит в приостановленный режим работы.
• В приостановленном режиме
  • если step = go = 0 во время переднего фронта clk, то не происходит перезаписи ячеек памяти, и текущая выполняемая команда не изменяется;
  • если go = 1 во время переднего фронта clk, то процессор переходит в обычный режим работы;
  • если go = 0 и step = 1 во время переднего фронта clk, то процессор выполняет одну команду и переходит в заблокированный режим.
• В заблокированном режиме
  • если go = 1 во время переднего фронта clk, то процессор переходит в обычный режим работы;
  • если go = 0 и step = 0 во время переднего фронта clk, то процессор переходит в приостановленный режим работы;
  • если go = 1 и step = 1 во время переднего фронта clk, то не происходит перезаписи ячеек памяти, и текущая выполняемая команда не изменяется.

Простой вариант для всех остальных, не влекущий никаких штрафов

• Он имеет тактовый вход clk, вход сброса rst, а также однобитовые входы go, br, dir и hold.
• Он работает обычным образом всегда, кроме одной особой ситуации: hold = 1, текущая команда - условное ветвление, и сейчас передний фронт clk, во время которого команда должна выполниться.
• В особой ситуации происходит следующее:
  • если go = 0, то процессор ничего не делает: на следующем такте пытается выполниться та же команда условного ветвления, что и на текущем;
  • если go = 1 и br = 1, то процессор выполняет ветвление как обычно;
  • если go = 1 и br = 0, то процессор игнорирует результат сравнения значений регистров команды ветвления: если dir = 0, то на следующем такте выполняет следующую команду памяти инструкций, а если dir = 1, то ту, к которой совершился бы "прыжок" при срабатывании ветвления (равенстве значений в beq, неравенстве значений в bne).

Часть 4

Описать модули тестирования (блок 9), демонстрирующие работу описанного в предыдущих частях процессора, корректную с точки зрения функциональной симуляции.

Достаточное техническое оснащение

Для полноценного выполнения задания курса достаточно иметь компьютер с Linux и установленными на нём (как правило, стандартными) пакетами

• iverilog (компилятор схемных дизайнов) и
• gtkwave (визуализатор диаграмм сигналов).

Допускается (хотя и не поощряется ввиду возможных проблем и неудобств) работа в Windows: достаточно скачать и установить Icarus Verilog, в стандартной комплектации содержащий исполняемые файлы

• iverilog.exe (компилятор схемных дизайнов),
• vvp.exe (средство исполнения скомпилированных дизайнов) и
• gtkwave.exe (визуализатор диаграмм сигналов).

Работа со схемными дизайнами при помощи других средств не возбраняется.

Литература

Основная

• Harris, Harris, Digital Design and Computer Architecture, 2nd Edition, Elseveir, 2013
• Thomas, Moorby, The Verilog Hardware Description Language, 5th Edition, Springer, 2008

Дополнительная

• J. Hennesy, D. Patterson, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 5th Edition, Morgan Kaufmann, 2013
• S. Palnitkar, Verilog HDL, 2nd Edition, 2003
• F. Vahid, Digital Design with RTL Design, VHDL, and Verilog 2nd Edition, Wiley, 2010