PDF de programación - Diseño electrónico digital integrado - Back to basics

Diseño electrónico digital integrado:

Back to basics

Sep-2011 F.Barbero

Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Flip-flop D con Reset Asíncrono

• Captura un dato con el flanco de reloj
• La pata de reset lo vuelve a su valor inicial inmediatamente.

R

D

Q

CLK

CLK

R

D

Q

El clock puede ser activo en flanco de subida (lo normal) o de bajada (rarísimo).
El reset puede estar presente o no, y ser activo a nivel alto o a nivel bajo.
El reset puede poner el flip-flop a 0 o a 1.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Registro (Register)

• Conjunto de 1 o más flip-flops en paralelo, se comportan igual

pero pueden tener valores de más de un bit

R

D[7:0] Q[7:0]

CLK

CLK

R

D

Q

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Lógica combinacional
(combinational logic)

• Porción de un circuito que aplica una función lógica a un

conjunto de bits de entrada para dar un conjunto de bits de
salida, por propagación directa (sin esperar ningún reloj)

Bits

y=f(x)

Bits resultantes

Retardo de propagación

Depende de lo rápida que sea la tecnología

(transistores, pistas…), NO de un reloj.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

RTL (Register Transfer Level)

• Tipo de descripción “behavioral” de un circuito que se basa

exclusivamente en transferir datos entre registros bien
definidos (tipo “D”). Como casos particulares, puede existir
solamente lógica combinacional o solamente registros

¡Único tipo de descripción sintetizable!

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Procesos secuenciales y combinacionales
• En descripciones HDL, decimos que un proceso es

“secuencial” cuando engloba registros y opcionalmente lógica
combinacional a sus entradas, mientras que un proceso
“combinacional” sólo tiene lógica combinacional.

Proceso secuencial

Proceso combinacional

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Flip-flop (FF) D con Reset Asíncrono

• VHDL:

process (clk,rst)

begin

if rst='1' then

q <= '0';

elsif clk'event and clk='1' then

q <= d;

end if;

end process;

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Flip-flop D con Reset Asíncrono

• Con clock enable:

process (clk,rst)

begin

if rst='1' then

q <= '0';

elsif clk'event and clk='1' then

if ce='1' then

R

D’

Q

CLK

D

CE

q <= d;

end if;

end if;

end process;

¡No es más que lógica combinacional añadida!
No despistarse: recordar el elemento básico,

el FF D, con o sin reset asíncrono.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Flip-flop D sin Reset Asíncrono

• VHDL:

process (clk)

begin

if clk'event and clk='1' then

D

Q

q <= d;

end if;

end process;

CLK

En diseño ASIC se evita lo máximo posible el usar FF sin reset.
En FPGA su uso es más frecuente.
 Si se quiere hacer diseño portable de FPGA a ASIC, lo mejor es usarlo siempre.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Logica combinacional

• VHDL: process que en su lista de sensibilidad

tiene las entradas de la función combinacional

architecture uam of mux is

Se debe asignar

siempre (en

todos los casos)

a la salida un

valor

begin

process(a,b,sel)

begin

if sel='1' then

y <= a;

else

y <= b;

end if;

end process;

end uam;

Todas las entradas

deben estar en la lista

de sensibilidad

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Procesos VHDL

• En una descripción RTL VHDL todo son procesos

combinacionales o secuenciales (FF), ejecutándose
concurrentemente.

• Las asignaciones concurrentes nos permiten escribir

más rápidamente procesos combinacionales.

s <= (a and b) + c;

with a+b select

s <= d when "0000",
e when "1010",
'0' when others;

•

•

Todo esto se hace con signals.
Las variables VHDL permiten tener variables temporales dentro de los process (al
estilo de la programación software).

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Descripción estructural

• Ejemplo: top-level práctica laboratorio PicoBlaze:

pico_example

kcpsm3

interrupt
interrupt_ack

decoder

port_id[7:0]

PortId[7:0] Sel[2:0]

write_strobe

read_strobe

out_port[7:0]

clk

reset

mux_rdata

in_port[7:0]

RDataOut[7:0]

Sel[2:0]

Address[9:0]

Instruction[17:0]

RDataIn0[7:0]

RDataIn1[7:0]

RDataIn2[7:0]

rom_prog

clk

address[9:0]

instruction[17:0]

gen_interrupt

Clk
Reset

Interrupt
InterruptAck

Sel
Write
Address[1:0]
WData[7:0]
RData[7:0]

switches_leds

Clk
Reset

SlideSwitches[7:0]

SW[7:0]

PushButtons[3:0]

Leds[7:0]

LD[7:0]

Sel
Write
Address[1:0]
WData[7:0]
RData[7:0]

sevenseg

Clk
Reset

Sel
Write
Address[2:0]
WData[7:0]
RData[7:0]

Segment[7:0]

SEG_*

Anode[3:0]

AN[3:0]

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Descripción estructural
• VHDL: componentes e instanciaciones

top.vhd

a.vhd

a1.vhd

a2.vhd

b.vhd

c.vhd

ENTITY top IS PORT
( ... )
END top;

ARCHITECTURE structural OF top IS
signal s1,s2 : std_logic;

COMPONENT a
PORT ( entrada : IN std_logic;

salida

: OUT std_logic );

END COMPONENT;

begin

u1: a PORT MAP

(entrada=>s1, salida=>s2);

....

end jerarquica;

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Cronogramas

• Ejemplo: escritura del micro en puerto

– El dato va de un registro del micro a un registro de

un periférico.

clk

write strobe

out_port[7:0]

12

45

6F

07

B8

32

portRegister[7:0]

00

45

07

B8

Actúa de “enable”

¡Ojo! : captura el dato que estaba estable

cuando llegó el flanco de reloj.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Cronogramas

• Ondas más realistas:

clk

write strobe

out_port[7:0]

12

45

portRegister[7:0]

00

6F

45

07

B8

32

07

B8

Así es más facil tener claro qué valor carga el registro, pero…:
- En simulación sin tiempos nos vamos a encontrar la otra representación
- En el cuaderno es más cómodo usar la otra representación 

Importante: recordar que el papel y el lápiz también existen, y el papel
cuadriculado es una herramienta de diseño a tener en cuenta…

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Setup

• Los FF no son “perfectos”, necesitan que el dato

de entrada esté estable un mínimo de tiempo

Si este tiempo es menor que tSETUP del FF,
su salida Q se va a un estado impredecible (‘X’)

CLK

R

D

Q

Hold : Mismo concepto, pero el requerimiento es de estabilidad de D tras el flanco de reloj.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Slack y frecuencia máxima

• El slack es el tiempo que nos sobra para poder
cumplir con los requisitos (si es negativo, mal)

CLK

R

D

Q

delay

tSETUP

slack

Si encogemos más y más el periodo de reloj, el retardo (delay) va a ser el mismo y el tiempo de setup
también, pero el slack disminuye. Cuando es 0 hemos alcanzado la frecuencia máxima para ese “path”.

Oct-2010 F.Barbero Escuela Politécnica Superior - Universidad Autónoma de Madrid

Metaestabilidad

• Puede aparecer al tomar como dato una entrada externa al sistema o

•

proveniente de otro “dominio de reloj”.
El cambio del dato se produce a la vez que el de reloj, y la salida se comporta
de forma anómala. Puede provocar fallos graves en los circuitos.

tSETUP

CLK

D

Q

•

Se soluciona poniendo una cadena de FFs

dato

asíncrono

dato

sincronizado

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