TP1 : Synthèse

Avant-propos

Le but de ce TP est de présenter quelques outils de la chaîne ALLIANCE dont :

• Les outils de synthèse logique SYF, BOOM, BOOG, LOON ;
• L'éditeur graphique de netlist XSCH ;
• Le simulateur ASIMUT ;

Chaque outil possède ses propres options donnant des résultats plus ou moins adaptés suivant l'utilisation que l'on veut faire du circuit.

1 Introduction

1.1 Synthèse d'automates d'états finis

Un circuit combinatoire pur ne dispose pas de registres internes. De ce fait, ses sorties ne dépendent que de ses entrées primaires.

A l'inverse, un circuit séquentiel synchrone disposant de registres internes voit ses sorties changer en fonction de ses entrées mais aussi des valeurs mémorisées dans ses registres.

En conséquence, l'état du circuit à l'instant t+1 dépend aussi de son état à l'instant t. Ce type de circuit peut être modélisé par un automate d'états finis.

L'automate de MOORE voit l'état de ses sorties changer uniquement sur front d'horloge. Les entrées peuvent donc bouger entre deux fronts sans modifier les sorties. Par contre dans le cas d'un automate de MEALY, la variation des entrées peut modifier à jour

1.2 SYF et VHDL

Afin de décrire de tels automates, on utilise un style particulier de description VHDL qui définit l'architecture "fsm" (finite-state machine). Le fichier correspondant possède également l'extension fsm. A partir de ce fichier, l'outil SYF effectue la synthèse d'automate et transforme cet automate abstrait en un réseau booléen. SYF génère donc un fichier VHDL au format vbe. Comme la plupart des outils utilisés au laboratoire, il faut positionner certaines variables d'environnement avant d'utiliser SYF. Pour les connaître, reportez-vous au man de syf.

1.3 Exemple

Afin de se familiariser avec la syntaxe de description d'un fichier .fsm, un exemple de compteur de trois "1" successifs est présenté. Sa vocation est de détecter par exemple sur une liaison série une séquence de trois "1" successifs. Le graphe d'états que l'on cherche à décrire est représenté sur la figure . Le format fsm est également décrit dans une page man. Pensez à la consulter.

Figure Graphe d'états d'un compteur de trois "1" successifs

entity circuit is
port (
      ck, i, reset, vdd, vss : in bit ;
      o : out bit
      ) ;
end circuit ;
architecture MOORE of circuit is

 type ETAT_TYPE is (E0, E1, E2, E3) ;
 signal EF, EP : ETAT_TYPE;
 -- pragma CURRENT_STATE EP
 -- pragma NEXT_STATE EF
 -- pragma CLOCK CK


begin
process (EP, i, reset)
begin

 if (reset=’1’) then
    EF<=E0;
 else
   case EP is
       when E0 =>
            if (i=’1’) then
              EF <= E1 ;
            else
              EF <= E0 ;
            end if ;
       when E1 =>
            if (i=’1’) then
              EF <= E2 ;
            else
              EF <= E0 ;
            end if ;
       when E2 =>
            if (i=’1’) then
              EF <= E3 ;
            else
              EF <= E0 ;
            end if ;
       when E3 =>
            if (i=’1’) then
              EF <= E3 ;
            else
              EF <= E0 ;
            end if ;
        when others => assert (’1’)
             report "etat illegal";
   end case ;
 end if ;
   case EP is
        when E0 =>
             o <= ’0’ ;
        when E1 =>
             o <= ’0’ ;
        when E2 =>
             o <= ’0’ ;
        when E3 =>
             o <= ’1’ ;
        when others => assert (’1’)
             report "etat illegal" ;
     end case ;
end process ;

 process(ck)
 begin
    if (ck=’1’ and not ck’stable) then
        EP <= EF ;
     end if ;
 end process ;
end MOORE ;

1.4 Synthèse logique

La synthèse logique permet d'obtenir une netlist de portes à partir d'un réseau booléen (format .vbe). Plusieurs outils sont disponibles :

• L'outil BOOM permet l'optimisation de réseau booléen avant synthèse.
• L'outil BOOG offre la possibilité de synthétiser une netlist en utilisant une bibliothèque de cellules précaractérisées telle que SXLIB.

La netlist peut être soit au format .vst soit au format .al. Vérifier la variable d'environnement MBK_OUT_LO=vst. Pour plus de renseignements sur ces outils, reportez vous au man.

1.5 Résolution des problèmes de fanout (sortance)

Les netlists générées contiennent parfois des signaux internes attaquant un nombre important de portes (grand fanout). Ceci se traduit par une détérioration des fronts (rise time et fall time). Il y a alors une perte en performance temporelle. Afin de résoudre ces problèmes, l'outil LOON remplace les cellules ayant un fanout (i.e sortance) trop grand par des cellules plus puissantes ou bien insère des buffers.

1.6 Visualisation de la chaîne longue

A tout moment, les netlists peuvent être éditées graphiquement. L'outil XSCH permet de visualiser le chemin le plus long grâce aux fichiers .xsc et .vst générés à la fois par BOOG et par LOON.

La résistance équivalente R de la figure est calculée sur la totalité des transistors du AND appartenant au chemin actif. De même, la capacité C est calculée sur les transistors passants du NOR correspondant au chemin entre i0 et la sortie de la cellule.

1.7 Vérification de la netlist

La netlist doit être certifiée. Pour cela, on dispose du simulateur ASIMUT.

2. Travail à faire

2.1 Réalisation du compteur

• Ecrire la description d'un compteur de cinq "un" successifs sous la forme d'un automate de Moore.
• Positionner les variables d'environnement.
• Lancer SYF avec les options de codage -a, -j, -m, -o, -r et en utilisant les options -CEV.

>syf -CEV -a <fsm_source> -

• Visualiser les fichiers .enc.
• Ecrire un fichier de vecteurs de test et simuler sous ASIMUT.

Que se passe-t-il si le reset n'est pas positionné en début de pattern ? Pourquoi ?

2.2 Réalisation d'un automate pour digicode

a. Spécification de l'automate

L'exemple qui suit servira dans toute la suite du TP. On veut réaliser une puce pour digicode. Les spécifications sont les suivantes :

Les chiffres de 0 à 9 sont codés en binaire naturel sur la manière suivante :

A : 1010 B : 1011

Le digicode fonctionne en deux modes :

• Mode Jour : La porte s'ouvre en appuyant sur "O"
• Mode Nuit : La porte ne s'ouvre que si le code est correct.

Pour distinguer les deux cas un "timer" externe calcule entre 8h00 et 20h00 et '0' sinon.

• Le digicode commande une alarme dès qu'un des chiffres entrés n'est pas le bon
• L'automate du digicode revient dans son état d'attente si rien n'est entré au clavier au bout de 5 secondes ou si l'alarme a sonné pendant 2mn- signal reset- Pour cela il reçoit un signal reset du timer externe.
• La puce fonctionne à une fréquence de 10MHz.
• Toute pression d'une touche du clavier est accompagnée du signal press_kbd. Celui-ci signale à la puce que les données en sortie signal est à 1 durant un cycle d'horloge.

Le code est 53A17 L'interface de l'automate est le suivant :

• in ck
• in reset
• in jour
• in i[3 :0]
• in O
• in press_kbd
• out porte
• out alarm

b. Travail à faire

• Dessiner le graphe d'états de l'automate. (Les corrections seront distribuées)
• Le décrire au format .fsm .
• Le synthétiser avec SYF en utilisant les options de codage -a, -j,,-m, -o, -r et en utilisant les options -CEV.

>syf -CEV -a <fsm_source> -

• Ecrire le fichier .pat de vecteurs de test.
• Simuler avec ASIMUT toutes les vues comportementales obtenues.
• Adaptez le Makefile pour qu'il couvre tous les encodages possibles.

Quelles sont vos remarques concernant la complexité des expressions (i.e temps) et le nombre de registres (i.e surface) des descriptions comportementales suivant les encodages ? En déduire les deux groupes d'encodage. Comparer aussi leurs nombres de littéraux.

2.3 Optimisation du réseau booléen

• Lancer l'optimisation booléenne avec l'outil BOOM en demandant une optimisation en surface puis en délai.

>boom -V <vbe_source> <vbe_destination> -

• Essayer BOOM avec les différents algorithmes -s, -j, -b, -g, -p...

Le mode et le niveau d'optimisation sont aussi à changer.

• Comparer le nombre de littéraux après factorisation.

2.4 Mapping sur cellules précaractérisées

Pour chacun des réseaux booléens obtenus précédemment :

• Positionner les variables d'environnement ;
• Synthétiser la vue structurelle :

>boog <vbe_source> -

• Lancer BOOG sur les différentes netlists pour observer l'influence des options de SYF et de BOOM ;
• Valider le travail de BOOG en resimulant avec ASIMUT les netlists obtenues avec les vecteurs de test qui ont servi à valider le réseau booléen initial.

2.5 Visualisation de la netlist

La chaîne longue est décrite dans le fichier .xsc produit par BOOG. L'outil XSCH l'utilisera pour colorer son chemin. Pour lancer l'éditeur graphique :

>xsch -I vst -l <vst_source> -

La couleur rouge désigne le chemin critique. Si vous utilisez l'option '-slide' qui permet d'afficher un ensemble de netlists, n'oubliez pas d'appuyer sur les touches '+' ou '-' pour éditer vos fichiers !

2.6 Optimisation de la netlist

Pour toutes les vues structurelles obtenues précédemment :

• Lancer LOON avec la commande :

>loon <vst_source> <vst_destination> <lax_param> -

• Effectuer une optimisation de fanout en modifiant le facteur de fanout dans le fichier d'option .lax.

Imposer des valeurs de capacités sur les sorties.

2.7 Vérification de la netlist

À effectuer sur la meilleure de vos netlists (justifiez votre choix !) :

• Valider le travail de LOON en resimulant sous ASIMUT les netlists obtenues avec les vecteurs de test qui ont servi à valider la vue comportementale initiale.
• Mettre les différents résultats (surface/temps/optimisation) dans votre rapport.
• Quelle est, selon vous, la meilleure des netlists ? Pourquoi ?