TP2 : Modélisation Structurelle VHDL

A) Objectifs

Le but de cette seconde séance de TP est d'utiliser le langage VHDL pour décrire, puis simuler une description structurelle du composant addaccu.

Le but final est d'aboutir à une description structurelle détaillée, c'est à dire un schéma en portes logiques, utilisant une bibliothèque de cellules pré-caractérisées. Ceci sera fait dans le TP3.

Dans ce TP2, nous allons franchir une étape intermédiaire, en décomposant le circuit addaccu en trois sous-blocs fonctionnels : le bloc mux4, le bloc adder4, et le bloc accu4.

Un deuxième objectif de ce TP2 est d'introduire le langage de description de stimuli genpat.

Commencez par créer un répertoire de travail tp2 pour archiver les fichiers de ce TP.

B) Génération procédurale des stimuli

Dans le TP1, vous avez écrit "a la main" le fichier stimuli.pat décrivant les valeurs à appliquer sur les entrées du circuit. Cette méthode est assez fastidieuse, et elle est source d'erreurs. Pour faciliter la description des scénarios de simulation, vous pouvez utiliser le langage genpat, qui est un ensemble de fonctions écrites en langage C, et qui apporte au concepteur de circuit toute la puissance d'expression du langage C (boucles, expression conditionnelles, etc.) pour décrire les scénarios de simulation.

On rappelle que vous pouvez obtenir des informations détaillées sur n'importe quel outil de la chaîne de CAO ALLIANCE en tapant (par exemple) la commande :

>man genpat

Les noms des fonctions du langage genpat sont en majuscules. La fonction la plus importante est la fonction AFFECT() qui permet d'assigner une nouvelle valeur à un signal particulier X à une certaine date T. Cette fonction permet donc de spécifier des événements.

Il faut donc écrire un fichier stimuli.c respectant la syntaxe du langage C, et c'est l'exécution de ce programme C qui générera le fichier stimuli.pat utilisable par asimut. Vous trouverez ci-dessous un exemple de fichier stimuli.c, que vous devez compléter et enrichir.

#include <genpat.h>
#include <stdio.h>
/*------------------------------*/
/*  Fonction  utilitaire        */
/*------------------------------*/
char *inttostr(int entier)
{
  char *str;
  str = (char *) mbkalloc (32 * sizeof (char));
  sprintf (str, "%d",entier);
  return(str);
}
/*------------------------------*/
/*  programme principal         */
/*------------------------------*/
main ()
{
  int i;
  int time;
  DEF_GENPAT("stimuli");
  /* interface */
  DECLAR ("a", ":2", "X", IN, "3  downto 0", "");
  DECLAR ("b", ":2", "X", IN, "3  downto 0", "");
  DECLAR ("sel", ":2", "B", IN, "", "");
  DECLAR ("ck", ":2", "B", IN, "", "");
  DECLAR ("s", ":2", "X", OUT, "3 downto 0", "");
  DECLAR ("vdd", ":2", "B", IN, "", "");
  DECLAR ("vss", ":2", "B", IN, "", "");
  /* événements */
  AFFECT ("0", "sel"  , "0b0");
  AFFECT ("0", "vdd"  , "0b1");
  AFFECT ("0", "vss"  , "0b0");
  time = 0;
  for (i=0; i<4; i++) {
        AFFECT ( inttostr(time),"ck","0b0" );
        AFFECT ( inttostr(time),"a", inttostr(i));
        AFFECT ( inttostr(time),"b", "0xF");
        time += 10000;
        AFFECT ( inttostr(time),"ck","0b1" );
        time += 10000;
        }
  SAV_GENPAT ();
}

Pour génére le fichier stimuli.pat il faut lancer la commande :

>genpat stimuli

Vérifiez que le fichier stimuli.pat généré correspond à ce que vous attendez en utilisant l'outil de visualisation de chronogrammes xpat.

>xpat stimuli

Validez votre fichier de stimuli en simulant son exécution sur le modèle comportemental du composant addaccu provenant du TP1 :

>asimut -b -zd addacu stimuli result

L'option -zd signifie que vous souhaitez que asimut effectue une simulation zéro-delay : même si la description comportementale contient des constructions AFTER, celles-ci ne seront pas prises en compte.

C) Description structurelle

On va maintenant décrire le composant addaccu comme l'instanciation de trois blocs fonctionnels : le bloc mux4, le bloc adder4, et le bloc accu4, dont les interfaces et les comportements sont prédéfinis.

• Le bloc adder4 est un additionneur 4 bits, avec report entrant et report sortant.
• Le bloc mux4 est un multiplexeur 4 bits qui sélectionne un mot parmi 2.
• Le bloc accu4 est un registre 4 bits à échantillonnage sur front montant de CK.

Vous pouvez consulter le modèle comportemental data-flow de chacun de ces blocs en cliquant sur le nom du bloc.

Vous devez maintenant écrire en VHDL le fichier addaccu.vst qui contient la description structurelle du composant addaccu. Puisqu'il s'agit d'une description structurelle, le fichier comporte l'extension .vst (Vhdl STructurel)

La construction VHDL qui permet d'instancier un composant dans un autre est la construction "PORT MAP", mais pour plus de précisions, vous avez intérêt à consulter le man du format .vst :

>man vst

Bien que le langage VHDL permette en principe de décrire un composant matériel en "mélangeant" dans une même description des assignations concurrentes et des instanciations, le simulateur asimut impose la règle suivante:

• Une description comportementale data-flow (de type .vbe) ne contient que des assignations concurrentes.
• Une description structurelle (de type .vst) ne contient que des instanciations (construction PORT MAP).

D) Simulation

Le simulateur asimut, comme tous les simulateurs VHDL est capable de simuler aussi bien une description comportementale (telle que le fichier addaccu.vbe) qu'une description structurelle (telle que le fichier addacu.vst), a condition que les modèles comportementaux des blocs instanciés soient disponibles.

Vous devez donc créer dans le répertoire tp2 les trois fichiers adder4.vbe, mux4.vbe, et accu4.vbe. Vous pouvez pour cela importer les modèles fournis ci-dessus par simple copier/coller.

Dans le cas d'une description structurelle, certains blocs instanciés peuvent être eux-mêmes décrits de façon structurelle. On parle alors de description hiérarchique "multi-niveaux", et le nombre de niveaux peut être quelconque. Il faut donc indiquer au simulateur quels sont les blocs "terminaux", pour lesquels il existe une description comportementale. Le simulateur asimut trouve cette information dans le fichier CATAL. Ce fichier est un fichier texte contenant les noms des blocs terminaux (un composant par ligne), suivi de la lettre C :

adder4   C
accu4   C
mux4   C

Vous devez donc editer un fichier portant le nom CATAL et contenant les trois lignes ci-dessus. Ce fichier doit se trouver dans le répertoire de travail.

Vous pouvez maintenant appliquer sur cette description structurelle les stimuli définis dans la partie A :

>asimut  addaccu stimuli result

L'absence de l'option -b indique au simulateur qu'il s'agit d'une description structurelle, et qu'il doit donc utiliser le fichier CATAL, pour determiner quels sont les blocs pour lesquels un modele comportemental est disponible.

Vous devez obtenir les mêmes résultats de simulation que dans la partie "simulation zero-delay" du TP1.

E) Compte-rendu

Il vous est demandé un rapport d'une page, au format .pdf. Vous joindrez les fichiers stimuli.c et addaccu.vst en annexe.