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1 Conception Numérique VHDL Pr. Ismaîl LAGRAT Département de Génie Electrique U

1 Conception Numérique VHDL Pr. Ismaîl LAGRAT Département de Génie Electrique Université Hassan 1er Ecole Nationale des Sciences Appliquées Khouribga ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 2 Chapitre 1 Conception Assistée par Ordinateur : Base et Méthodologie 1. Conception de circuits intégrés 2. Conception assistée par ordinateur 3. Modéle 4. Analyse et synth èse 5. Langage de description de matériel 6. Simulation logique 7. Synthè se logique 8. Synth èse architecturale 9. Synth èse physique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 3 1. Conception de circuits intégrés • Un circuit intégré (integrated circuit, IC) réalise une fonction électronique sous la forme d´ un ensemble de composants électroniques miniaturisés assemblés sur un m ême substrat, usuellement de silicium. • Les progrès constants des techniques de fabrication permettent aujourd´hui de placer plusieurs dizaines de millions de transistors sur une surface de silicium plus petite qu´un timbre poste. • la conception du circuit dans son ensemble pose de redoutables problèmes lorsqu´il s´agit de satisfaire des contraintes: o de performance: surface, délais, partition matériel-logiciel, partition logique-analogique. o de marché : domaine d´application, disponibilité du produit. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 4 Mode de fonctionnement du circuit : • Un circuit logique (digital circuit) travaille selon un mode discret qui ne considère qu´un nombre limité d´états. Le comportement du circuit consiste principalement passer d´un état un autre et peut très décrit sous la forme d´un programme. • Un circuit analogique (analog circuit) travaille selon un mode continu dont le comportement peut très décrit sous la forme d ´équations. • Un circuit mixte (mixed-signal circuit) incorpore des parties fonctionnant en mode logique et des parties fonctionnant en mode analogique. Un convertisseur logique-analogique est un exemple type de circuit mixte. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 5 1. Conception de circuits intégrés 2. Conception assistée par ordinateur • La complexité des fonctions réalisées sur une seule puce de silicium ne peut très maitrisée que grâce . • L´assistance d´outils logiciels appropriés et de méthodes de conception systématiques. • Il existe trois grands types de méthodes de conception: Les méthodes descendantes, les méthodes montantes et les méthodes mixtes. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 6 • Les méthodes descendantes (top-down) sont basées sur une suite de raffinements successifs partant d´un cahier des charges pour aboutir une description détaillée de la réalisation. • Le cahier des charges définit le "quoi", c´est-dire principalement les fonctions á réaliser et les conditions dans lesquelles ces fonctions devront s´exécuter. A l´autre bout du processus, la réalisation décrit le "comment", c´est-dire la mani ère qui a été retenue pour fabriquer un circuit satisfaisant les contraintes imposées par le cahier des charges. • Les méthodes descendantes sont bien adaptées . la réalisation de circuits dont la structure peut trés optimisée de maniè re tr és flexile á partir d ´un ensemble de cellules standard (standard cells) ou de matrices de portes (gate arrays, sea of gates ). • Les contrôleurs (séquenceurs) sont des exemples typiques de tels circuits. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 7 2. Conception assistée par ordinateur • Les méthodes montantes (bottom-up) se basent sur l´existence de modules (primitives ou fonctions plus complexes) caractérisés, c´est-dire dont les fonctions et les performances sont connues. Une réalisation possible est alors construite par assemblage . L´aide d´un processus de sélection de modules. Le processus est tel qu´il doit garantir que les choix faits satisfont les contraintes imposées par le cahier des charges. • Les méhodes montantes sont bien adaptées á la réalisation de circuits dont la structure est essentielle à leur bon fonctionnement. Les circuits réguliers (mémoires, chemins de données (datapath modules)) en sont des exemples types. Un additionneur, bloc de base tr s courant dans les circuits intégrés, peut par exemple trés réalisé selon différentes architectures (propagation de retenue, anticipation de retenue, etc.) avec différents niveaux de performances. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 8 2. Conception assistée par ordinateur • Les méthodes mixtes (meet-in-the-middle) sont une combinaison de méthodes descendantes et de méthodes montantes. • Elle sont particulièrement adaptées á la réalisation de circuits á applications spécifiques (ASIC) possédant un grand nombre de composants personnalisés comme des multiplieurs, des unités de contrôle et de la mémoire. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 9 2. Conception assistée par ordinateur On peut distinguer deux types de descriptions: Les formats d´échange et les langages de description de matériel. o Les formats d´échange (interchange format) sont des descriptions qui ne sont destinées á être lues et comprises que par des outils logiciels. On trouve par exemple dans cette catégorie les formats CIF et GDSII pour le layout et EDIF pour le sch.ma et le layout. o Les langages de description de matériel (hardware description language, HDL) sont des descriptions destinées á ê tre en plus lues et comprises par des concepteurs. Le langage VHDL est un exemple qui sera présent. plus en détails par la suite. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 10 2. Conception assistée par ordinateur 3. Mod éle La création d´un mod éle résulte d´un processus de structuration d´un ensemble de connaissances, parfois expérimentales, que l´on dispose à propos d´un phénomène ou d ´un syst ème physique. Un mod éle peut représenter le comportement et/ou la structure d´un syst ème donnée. o Le comportement (behaviour) d´un syst ème se concentrer sur la (les) fonction(s) du syst ème en exprimant des relations de cause à effet. Les fonctions d´un syst ème peuvent trés organisées de mani ère hiérarchique (fonctions imbriqu.es ou récursives). o La structure ( structure ) se concentre sur la mani ère dont un systè me est organisé hiérarchiquement en sous-systè mes. La structure d´un systè me peut trés de plus considérée sous deux aspects complémentaires: un aspect adimensionnel pour lequel les notions de dimension, de taille et de forme sont ignorées et un aspect géométrique qui tient compte de ces notions. Une description structurelle adimensionnelle est usuellement un schéma, éventuellement hiérarchique, représentant uniquement les liens topologiques entre élements du syst ème. ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 11 • L´ensemble des mod éles considérés ici est celui des syst èmes matériels (hardware systèms), c´est-dire des syst èmes réalisés sous la forme de circuits intégrés. • Ces modé les peuvent trés classés en termes de niveaux d´abstraction ( abstraction levels) et de vues (views). La Table 1.1 présente ces deux notions •orthogonales. Chaque niveau d´abstraction est caractérisé par la nature des informations sur le mod éle et sur le type de composant de base, ou primitives qu ´il consid ère: ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 12 3. Mod éle Niveaux d´abstraction et domaines de description ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 13 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 14 Niveaux d´abstraction et domaines de description ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 15 Niveaux d´abstraction et domaines de description ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 16 Niveaux d´abstraction et domaines de description 4. Analyse et synthè se ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 17 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 18 4. Analyse et synthè se 5. Langage de description de matériel ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 19 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 20 5. Langage de description de matériel 6. Simulation logique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 21 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 22 6. Simulation logique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 23 6. Simulation logique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 24 7. Synthèse logique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 25 7. Synthèse logique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 26 7. Synthèse logique 8. Synthè se architecturale ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 27 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 28 8. Synthè se architecturale 9. Synth èse physique ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 29 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT 30 9. Synth èse physique Chapitre 2 Conception via le langage VHDL Introduction Implantation des circuits numériques •Avec des éléments discrets •Avec des microprocesseurs, micro contrôleurs, DSP •Avec des circuits à architecture programmable PAL, GAL, FPGA •Avec des circuits intégrés ASIC PLD : Programmable Logic Device, CPLD : Complex PLD, PAL: Programmable Array Logic, GAL: Generic Array Logic, FPGA : Field Programmable Gate Array, ASIC : application-specific integrated circuit 32 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT Circuit avec des éléments discrets •Circuit figé •Circuit imprimé difficile à modifier •Intégration limitée •Coût élevé •Justifié pour de petits circuits 33 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT Circuit à fonctionnement programmable • A base des microprocesseurs, Microcontrôleurs, DSP • En modifiant le programme on modifie la fonction •Plus souple que les circuits à éléments discrets •Vitesse limitée (mais qui augmente sans cesse) •Parallélisme compliqué (mais faisable) •Intégration encore limitée •Adapté à des opérations séquentielles 34 ENSA Khouribga 2013/14 Pr.I. LAGRAT Circuit à architecture programmable •Une quantité importante de portes logiques •Des matrices d'interconnections programmables •Modification du fonctionnement sur le circuit •Souplesse assurée •Coût de fabrication faible (pour un nombre limité) •Intégration forte uploads/Philosophie/ cours-vhdl14.pdf