TP1 : Modélisation Comportementale VHDL Data-Flow

Objectifs

Le but de cette séance est de modéliser en VHDL, puis de simuler un petit circuit très simple : un additionneur accumulateur que nous appellerons addaccu.

Vous pouvez obtenir la spécification fonctionnelle de ce circuit en cliquant ici.

L'outil de simulation utilisé aujourd'hui est le compilateur/simulateur VHDL asimut, qui fait partie de la chaîne de CAO ALLIANCE développée au laboratoire LIP6.

Vous pouvez obtenir des informations détaillées sur n'importe quel outil de la chaîne ALLIANCE en tapant la commande :

> man asimut

Pour utiliser cette commande, il faut définir le chemin d'accès aux fichiers man dans la variable d'environnement UNIX MANPATH.

Le déroulement de ce premier TP comporte trois étapes: Modélisation comportementale du circuit adaccu, description des stimuli en entrée et des résultats attendus en sortie, et simulation effective avec le simulateur asimut.

Commencez par créer un répertoire de travail tp1 pour archiver les fichiers de ce TP.

A) Modélisation zero-delay

Le simulateur asimut n'accepte qu'un sous-ensemble du langage VHDL, en particulier pour la description comportementale, qui ne doit contenir que des "assignations concurrentes", ce qui correspond au style data-flow.

Ces assignations peuvent contenir des informations temporelles :

c <= a AND b  AFTER 300ps;

Puisque la sémantique du langage VHDL repose sur les événements, l'assignation ci-dessus signifie qu'un événement (c'est à dire un changement de valeur à une date t) sur le signal a ou sur le signal b peut entraîner un événement sur le signal c à la date t + 300 ps. La construction AFTER peut être omise, ce qui correspond à un temps de propagation nul.

Une description comportementale qui ne contient pas de constructions AFTER est une description dite "zero-delay": on considère que tous les temps de propation sont négligeables par rapport au temps de cycle. C'est donc une description où on cherche à valider la fonctionnalité logique, mais où on ne cherche pas à simuler les performances temporelles.

Ecrire une description comportementale "zero-delay" pour le composant addaccu.

Le fichier comportera l'extension ".vbe" qui est l'extension usuelle pour indiquer un fichier VHDL comportemental de type data-flow (.vbe pour Vhdl BEhaviour).

Vous pouvez obtenir des indications sur la syntaxe du format .vbe en tapant la commande

>man vbe

Vous pourrez vérifier que votre fichier addaccu.vbe est syntaxiquement correct en utilisant l'outil asimut pour compiler ce fichier sans lancer la simulation.

>asimut -b -c addaccu

• l'option -b indique qu'il s'agit d'une description purement comportementale (extension .vbe), car asimut accepte également en entrée des descriptions structurelle (dans ce ca le fichier possède l'extension .vst).
• l'option -c permet de compiler sans simuler.

Comme tous les outils de la chaîne ALLIANCE, asimut utilise des variables d'environnement UNIX, qui permettent de paramètrer le simulateur. La signification des 8 variables d'environnement utilisées par asimut est à découvrir dans la page man de l'outil asimut. Vous pouvez consulter la valeur courante de ces variables en tapant la commande

>echo $VH_MAXERR

Vous pouvez modifier ces variables d'environnement en utilisant la commande suivante:

>export VH_MAXERR=10

Votre description est syntaxiquement correcte lorsque vous n'obtenez plus aucun message d'erreur.

B) Définition des stimuli

Lorsque la description comportementale du composant addaccu compile sans erreurs, il faut écrire le fichier décrivant les stimuli qui vont être appliqués sur les entrées du circuit. Ce fichier permet également de déclarer quels signaux on souhaite observer : les signaux observés peuvent être soit des sorties du circuits, soit des signaux internes.

Le format du fichier de stimuli accepté par asimut est défini dans la page man du format .pat :

>man pat

Ce fichier stimuli.pat doit en particulier décrire le signal d'horloge. On choisira un signal périodique de période 10 ns, et de rapport cyclique 50% (cela signifie que l'état bas et l'état haut ont des durées égales).

Vous trouverez ci-dessous un exemple de fichier stimuli.pat

-- controled inputs :
in       a (3 downto 0)                 X;;;
in       b (3 downto 0)                 X;;;
in       sel                            B;;;
in       ck                             B;;;
in       vdd                            B;;;
in       vss                            B;;;

-- observed outputs & internal signals :
register addaccu.accu (3 downto 0)      X spy;;;
out      s (3 downto 0)                 X spy;;;

begin
--               a  b  s  c  v  v  a  s
--                     e  k  d  s  c
--                     l     d  s  c
--                                 u
< 0  ns>       : 0  0  0  0  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  0  0  1  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  1  0  0  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  1  0  1  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  2  0  0  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  2  0  1  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  5  1  0  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  5  1  1  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  1  1  0  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  1  1  1  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  1  1  0  1  0 ?* ?* ;
< +5 ns>       : 0  1  1  1  1  0 ?* ?* ;
end;

On utilise l'attribut spy pour les signaux qu'on souhaite observer. Les signaux internes sont désignés par la notation composant.signal.

Attention : Comme les registres internes au composant addaccu sont des bascules à échantillonnage sur front montant, les signaux d'entrée ne doivent pas changer de valeur lorsque le signal d'horloge passe de 0 à 1.

Vous pouvez vérifier le chronogramme défini par votre fichier stimuli.pat, en utilisant l'outil de visualisation graphique xpat:

>xpat -l stimuli

C) Simulation logique (zero-delay)

Vous pouvez maintenant lancer la simulation sous asimut, en applicant les stimuli définis dans le fichier stimuli.pat sur la description comportementale définie dans le fichier addaccu.vbe:

>asimut -b addaccu stimuli result

Le dernier argument sur la ligne de commande est le nom du fichier résultat au format .pat. Ce fichier contient, en plus des valeurs des signauxd' entrée - les valeurs des signaux calculées par le simulateur. Vous pouvez visualiser ces résultats en utilisant l'outil xpat.

D) Simulation logico-temporelle

Pour terminer ce TP, vous allez maintenant complêter la description comportementale du composant addaccu, en attachant des temps de propagation aux différents opérateurs combinatoires. Plus précisément, vous allez utiliser la construction AFTER dans le fichier addaccu.vbe pour préciser les valeurs des temps de propagation dans la logique combinatoire. Ces temps de propagation dépendent de la complexité des expressions Booléennes qu'on trouve dans le membre de droite des assignations concurrentes de la description comportementale. Vous utiliserez les valeurs suivantes:

x xor y xor z	900 ps
multiplexeur	400 ps
x.y + x.z + y.z	600ns
x.y	300 ps

Après modification vous sauvegarderez la description comportementale temporisée sous le nom addaccu_time.vbe.

On cherche maintenant à observer la propagation du report dans l'additionneur. Il faut modifier le fichier stimuli.pat pour introduire les directives permettant d'observer les signaux internes carry[3:0], et définir des valeurs sur les entrées a et b qui sensibilisent la chaîne de propagation des reports, avant écriture dans le registre accumulateur. On sauvegardera ce fichier de stimuli sous le nom stimuli_carry.pat.

>asimut -b addaccu_time stimulu_carry result_carry

Compte-Rendu

Vous rédigerez un compte-rendu d'une page maximum pour ce TP, et vous joindrez en annexe le fichier addaccu_time.vbe, ainsi que le chronogramme résultant de la simulation logico-temporelle pour le fichier stimuli_carry.pat.