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Apr 8, 2010, 5:56:08 PM (15 years ago)

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jpc

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--

2010CaoTme5

@@ +1 @@
+{{{
+#!html
+<h1>TME 7 : Simulation logico-temporelle</h1>
+}}}
+[[PageOutline]]
+
+= Objectif =
+
+On  souhaite réaliser  dans  ce TME  un  petit simulateur  logico-temporel, permettant  de
+simuler un réseau  Booléen temporisé, où les expressions  Booléennes sont représentées par
+des arbres EBM (voir TME3).
+
+Les  simulateurs  à événements  discrets  permettent  de  simuler des  systèmes  matériels
+constitués  d'un ensemble  de composants  matériels  interconnectés par  des signaux.  Les
+signaux véhiculent  fondamentatement deux tensions VSS et  VDD représentant respectivement
+les valeurs Booléennes 0 et 1, mais  le simulateur doit traiter plus de valeurs pour gérer
+les cas  spéciaux comme les signaux en  haute impédance, les conflits  électriques, ou les
+valeurs  indéfinies.  A  titre indicatif,  le  VHDL standard  utilise 9  valeurs pour  les
+signaux.  Pour simplifier, nous nous limiterons  dans ce TME aux trois valeurs logiques 0,
+1, et U (indéfini).
+
+Dans le cas général, Chaque composant est modélisé par un processus, et tous les processus
+s'exécutent en parallèle.   Chaque processus utilise les valeurs  de ses signaux d'entrées
+pour calculer les valeurs  de ses signaux de sortie.  Un signal  possède un seul émetteur,
+mais  peut  avoir  plusieurs  destinataires.    On  définit,  pour  chaque  processus,  un
+sous-ensemble  des  signaux  d'entrée, appelé  liste  de  sensibilité  du processus  :  un
+changement de valeur sur un signal appartenant à la liste de sensibilité peut entraîner un
+changement de  valeur sur un signal  de sortie du  processus. Un processus doit  donc être
+évalué à chaque fois que l'un des signaux de la liste de sensibilité change de valeur. Par
+exemple,  la liste  de sensibilité  d'un processus  représentant un  automate de  Moore ne
+comporte qu'un seul signal, qui est le signal d'horloge.
+
+On  s'intéresse  dans  ce TME  au  cas  particulier  des  réseaux Booléens:  un  processus
+correspond à une expression Booléenne multi-niveaux. Dans ce cas particulier, un processus
+possède  donc un  seul signal  de sortie,  et la  liste de  sensibilité contient  tous les
+signaux d'entrée. Cette liste de sensibilité  est tout simplement le support de l'EBM, tel
+que vu au  TME3. Le réseau Booléen  peut être représenté par un  graphe biparti comportant
+deux types de noeuds:  des processus et des signaux. Les noeuds  à la périphérie du réseau
+sont toujours des signaux.
+
+[[Image(reseau_booleen.png, nolink)]]
+
+En  d'autres termes,  un processus  a toujours  au moins  un signal  entrant et  un signal
+sortant.   Les signaux  qui n'ont  pas  d'arrête entrante  sont les  entrées primaires  du
+réseau, les signaux qui n'ont pas  d'arrête sortante sont les sorties primaires du réseau.
+Les autres signaux sont appelés signaux internes.
+
+On  appelle événement  le  changement  de valeur  d'un  signal à  un  certain instant.  Un
+événement est donc défini par un triplet (signal, date, valeur).
+
+Simuler le  fonctionnement d'un  circuit consiste  donc à calculer  pour chaque  signal la
+succession des  événements, appelée forme d'onde.   L'ensemble des formes  d'ondes de tous
+les signaux constitue un chronogramme.
+
+La simulation suppose que l'on possède  une fonction d'évaluation qui calcule la valeur du
+signal de sortie  du processus en fonction  de la valeur des signaux  d'entrée. Dans notre
+cas, nous utiliserons  la méthode {{{Ebm::eval()}}} qui gère les  trois valeurs de signaux
+(0,1,U).
+
+Créez un  répertoire de travail TME5,  et copiez dans  ce répertoire les  fichiers qui se
+trouvent dans {{{/users/enseig/jpc/M1-CAO/TME/5.public}}}.
+
+
+= A) Structures de données =
+
+On utilise deux structures de données pour représenter :
+
+ * Le réseau Booléen ({{{BoolNet}}}), c'est à  dire le graphe biparti des processus et des
+   signaux.
+
+ * L'échéancier ({{{Scheduler}}}), c'est à dire l'ensemble ordonné des événements.
+
+
+== A1) réseau Booléen ==
+
+Un réseau  booléen est la  représentation d'un graphe  bipartie. Il est donc  constitué de
+deux types de noeuds et d'arcs orientés reliants les noeuds entre eux.
+
+Les deux types de noeuds sont les ''signaux'' et les ''processus''.
+
+Un arc  orienté relie  un noeud source  à un noeud  cible. Notez  que comme le  graphe est
+bipartie, les noeuds  sources et destination sont toujours de types  différents.  On ne va
+pas créer d'objet spécifique pour représenter  un arc. Plus simplement, les noeuds sources
+contiendront une liste de noeuds cible.
+
+ * Un ''Signal'' considéré  comme source, peut être utilisé dans  un nombre quelquonque de
+   processus.  il aura donc une liste de ''Processus'' cibles.
+
+ * Un ''processus''  considéré comme source aura  une unique cible: le  ''signal'' dont il
+   calcule la valeur. Il n'est donc pas  nécessaire de gérér une liste, un simple pointeur
+   suffira. Notez  qu'il s'agit  d'une conséquence de  notre simplification du  modèle qui
+   n'est pas applicable dans le cas général.
+
+'''La classe {{{BoolNet}}}'''
+
+En plus des accesseurs triviaux, elle fourni une fonction de recherche d'un signal par son
+nom {{{getSignal(const std::string&  )}}} ainsi que deux méthodes  pour la construction du
+réseau booléen. Le réseau booléen est initialisé vide.
+
+ * Méthode {{{addSignal()}}}: ajoute un nouveau noeud  de type ''signal''. On donne le nom
+  du signal  ainsi que son type  (parmis {{{In}}}, {{{Out}}} et  {{{Internal}}}.  La liste
+  des cibles du noeud est initialisée vide.
+ * Méthode {{{addProcess()}}}:  ajoute un nouveau  noeud de type ''processus''.   On donne
+   respectivement  comme arguments,  le nom  du ''signal''  cible,  l'expression booléenne
+   qu'il représente (sous forme textuelle) et le delai de calcul de ce processus.
+
+'''Importante  remarque''':  la représentation  des  arcs  (listes  de cibles  des  noeuds
+sources) sont  construites lors de la création  des processus.  Il est  donc impératif que
+tous les ''signaux'' soient crées avant les ''processus''.
+
+{{{
+#!cpp
+class BoolNet {
+  private:
+    std::string            _name;
+    std::vector<Signal*>   _signals;
+    std::vector<Process*>  _processes;
+  public:
+                                  BoolNet      ( const std::string& );
+    inline std::string&           getName      ();
+           Signal*                getSignal    ( const std::string& );
+    inline std::vector<Signal*>&  getSignals   ();
+    inline std::vector<Process*>& getProcesses ();
+           Signal*                addSignal    ( const std::string&, SignalType );
+           Process*               addProcess   ( const std::string&, const std::string&, unsigned int delay );
+};
+}}}
+
+'''La classe {{{Signal}}}'''
+
+Attributs:
+
+ * {{{_network}}} : le réseau booléen auquel elle appartient.
+ * {{{_variable}}} :  l'{{{EbmVar}}} qu'elle encapsule.  Le contructeur devra  créer cette
+   {{{EbmVar}}} à la contruction.
+ * {{{_type}}} : le type du signal (parmis {{{In}}}, {{{Out}}} et {{{Internal}}}).
+ * {{{_processes}}}  : la représentation  des arcs.  On choisi  un {{{set<>}}}  pour gérer
+   automatiquement l'unicité.
+
+Méthode non triviale:
+
+ * {{{addProcess()}}}  : ajoute une  nouvelle cible  à l'ensemble  des cibles.  Equivaut à
+   créer un arc dans le graphe.
+
+{{{
+#!cpp
+class Signal {
+  private:
+    BoolNet*            _network;
+    EbmVar*             _variable;
+    SignalType          _type;
+    std::set<Process*>  _processes;
+  public:
+                               Signal       ( BoolNet*, const std::string&, SignalType );
+    inline std::string         getName      ();
+    inline SignalType          getType      ();
+    inline ValueType           getValue     ();
+    inline std::set<Process*>& getProcesses ();
+    inline void                addProcess   ( Process* );
+    inline void                setValue     ( ValueType );
+};
+}}}
+
+'''La classe {{{Process}}}'''
+
+Attributs:
+
+ * {{{_network}}} : le réseau booléen auquel elle appartient.
+ * {{{_signal}}} : le signal qu'elle calcule. C'est la représentation de l'unique arc issu
+   d'un noeud de type ''processus''.
+ * {{{_expression}}} :  l'{{{EbmExpr}}} de  calcul. On  la créera à  l'aide de  la méthode
+   {{{Ebm::parse()}}} qui vous est fournie.
+ * {{{_delay}}} : le temps nécessaire au calcul de la nouvelle valeur. Représente un temps
+   de propagation au travers des portes logiques.
+
+Méthodes non triviales:
+
+ * {{{Process()}}} : le  constructeur en plus de sa tâche  d'initialisation des membres de
+   l'objet  devra créer  les  ''arcs'' entre  les  ''signaux'' appartenant  au support  de
+   l'expression et le processus courant.
+ * {{{eval()}}}  et {{{display()}}}  sont des  encapsulations des  méthodes  identiques de
+   l'objet {{{Ebm}}}.
+
+{{{
+#!cpp
+class Process {
+  private:
+    BoolNet*      _network;
+    Signal*       _signal;
+    Ebm*          _expression;
+    unsigned int  _delay;
+  public:
+                         Process       ( BoolNet*, Signal*, const std::string& expression, unsigned int delay=0 );
+           ValueType     eval          ();
+    inline Ebm*          getExpression ();
+    inline Signal*       getSignal     ();
+    inline unsigned int  getDelay      ();
+           void          display       ( std::ostream& );
+};
+}}}
+
+
+== A2) échéancier ==
+
+Le rôle  de l'échéancier  est d'enregistrer  et d'ordonner les  évènements dans  le temps.
+Pour le réaliser nous avons besoin des éléments suivants:
+
+ * Une date (classe {{{Time}}}) contenant le temps écoulé depuis le début de la simulation
+   en nano-secondes  '''et''' un delta-cycle. Le delta-cycle  permettant d'avoir plusieurs
+   simulations ''au  même temps physique'' mais  cependant séparés pour ne  pas générer de
+   problèmes de causalité.
+
+ * Un événement (classe {{{Event}}}), avec le  temps ({{{Time}}}) auquel il se produit, Le
+   ''signal'' qu'il affecte et la nouvelle valeur que va prendre ce signal.
+
+ * Une structure  lui permettant  de stocker  les ensembles d'évenements  par dates  et de
+   trier  ces  ensembles par  date  (croissantes).  Nous  allons  pour  cela utiliser  une
+   {{{map<>}}} de {{{vector<>}}}.  C'est à  dire, une {{{map<>}}} dont chaque élément sera
+   un {{{vector<>}}}  d'évènements et la clé  une date ({{{Time}}}. Notez  qu'au sein d'un
+   ensemble d'évènements synchrones l'ordre est indifférent.
+
+'''Propriérés remarquables de la {{{map<>}}} de {{{vector<>}}}'''
+
+'''Syntaxe:'''
+{{{
+#!cpp
+map<Time, vector<Event*> >  _events;
+}}}
+
+La  clé de tri  est un  objet de  type {{{Time}}}  et la  valeur associée  à cette  clé un
+{{{vector<Event*>}}}.  Il  faudra définir  pour  la  classe  {{{Time}}} une  surcharge  de
+l'operateur   ''strictement   inférieur''   ({{{operator<()}}})   qui   définira   l'ordre
+chronologique.
+
+'''Accès et itérateurs'''
+{{{
+#!cpp
+map<Time, vector<Event*> >            _events;
+map<Time, vector<Event*> >::iterator  istate = _events.begin();
+
+for ( ; istate != _events.end() ; ++istate ) {
+  const Time&     date   = (*istate).first;
+  vector<Event*>& events = (*istate).second;
+
+// Do something here.
+}
+}}}
+
+ * '''Ordre du parcours''': une propriété fondamentale est que lors d'un parcours de la
+   {{{map<>}}} avec des itérateurs, les éléments sont parcourus ''dans l'ordre défini
+   par la relation d'ordre de la clé'', c'est à dire dans notre cas, l'ordre chronologique
+   de {{{Time}}}.
+
+ * Cet ordre est maintenu automatiquent lors d'ajout ou de retrait d'élements dans la
+   {{{map<>}}}.
+
+ * Les itérateurs pointant sur des éléments de la {{{map<>}}} restent valides même si l'on
+   ajoute ou retire des éléments (une seule exception: si l'on retire l'élement sur lequel
+   l'itérateur pointe...).
+
+ * Les éléments d'une {{{map<>}}} sont des paires {{{(clé,valeur)}}}, pour y accéder à
+   partir de l'itérateur, il faut utiliser les attributs public {{{first}}} (clé) et
+   {{{second}}} (valeur).
+
+
+'''La classe {{{Time}}}'''
+
+{{{
+#!cpp
+// Time is used as key by the scheduler's map<>.
+class Time {
+  private:
+    unsigned int  _time;
+    unsigned int  _deltaCycle;
+  public:
+    inline               Time          ( unsigned int time, unsigned int dc );
+    inline unsigned int  getTime       () const;
+    inline unsigned int  getDeltaCycle () const;
+    friend bool          operator<     ( const Time& lhs, const Time& rhs );
+};
+}}}
+
+
+'''La classe {{{Event}}}'''
+
+L'attribut  {{{_value}}}   contient  la  ''prochaine''   valeur  du  signal.   La  méthode
+{{{Event::updateSignalValue()}}} est chargé de faire la mise à jour effective de la valeur
+du signal. Elle sera appelée dans l'étape de mise à jour du simulateur.
+
+{{{
+#!cpp
+class Event {
+  private:
+    Signal*    _signal;
+    ValueType  _value;
+    Time       _time;
+  public:
+    inline             Event             ( Signal*, ValueType, Time& );
+    inline  Signal*    getSignal         ();
+    inline  ValueType  getValue          ();
+    inline  Time&      getTime           ();
+    inline  void       updateSignalValue ();
+};
+}}}
+
+
+'''La classe {{{Scheduler}}}'''
+
+Méthodes non triviales:
+
+ * {{{addEvent(Signal*,...)}}} : ajoute un nouvel évènement à l'échéancier. Pour donner la
+   date  on ne  passe  pas d'objet  {{{Time}}},  mais ses  deux  composants {{{time}}}  et
+   {{{dc}}}.
+
+ * {{{addEvent(const std::string&,...)}}}  : une surcharge  de la fonction  précédente qui
+   prend comme premier  argument un nom de ''signal'' au lieu  du pointeur sur ''signal''.
+   Cette méthode sera utilisée préférentiellement pour initialiser l'échéancier.
+
+ * {{{simulate()}}} : effectue la simulation.
+
+ * {{{drive()}}} : écrit dans le flot donné  en argument le résultat de la simulation dans
+   un format  lisible par  l'outil {{{xpat}}}.  La définition de  cette fonction  vous est
+   fournie.
+
+ * {{{_reset()}}}  : remet  toutes les  variables  (entrées, sorties,  internes) à  l'état
+   initial (U).
+
+ * {{{_header()}}} et {{{_display()}}} :  utilitaires vous permettant d'afficher l'état de
+   la simulation à un instant donné.
+
+{{{
+#!cpp
+class Scheduler {
+  private:
+    BoolNet*                              _network;
+    std::map<Time, std::vector<Event*> >  _events;
+  public:
+           Scheduler ( BoolNet* );
+    Event* addEvent  ( const std::string& variable, ValueType, unsigned int time, unsigned int dc=0 );
+    Event* addEvent  ( Signal*, ValueType, unsigned int time, unsigned int dc=0 );
+    void   simulate  ();
+    void   drive     ( std::ostream& );
+  private:
+    void   _reset    ();
+    void   _header   ();
+    void   _display  ( const Time& );
+};
+}}}
+
+
+= C) Travail à réaliser =
+
+Dans un premier temps vous devrez utiliser le simulateur qui vous est fourni dans
+l'ensemble des fichiers {{{.o}}}.
+
+Dans un second temps, il vous est demandé de progressivment remplacer les {{{.o}}}
+fournis par les vôtres.
+
+
+== C1) simulation du circuit ''etou'' ==
+
+Le fichier ''etou.c'' contient un tout petit réseau Booléen ne contenant que deux noeuds,
+et 4 signaux. Compilez ce fihier, et exécutez la simulation.
+
+Vous pouvez visualiser le réseau Booléen avec la commande:
+{{{
+> eog etou.gif
+}}}
+Vous pouvez visualiser le chronogramme résulat de la simulation avec la commande:
+{{{
+> xpat -l etou
+}}}
+
+
+== C2) Simulation d'un additionneur 2 bits ==
+
+On se propose de simuler le schéma suivant, qui réalise un additionneur 2 bits. 
+A chaque porte est associé une expression Booléenne représentée par un EBM.
+
+[[Image(schema_portes.png, nolink)]]
+
+
+== C2.1) Construction réseau Booléen de l'additionneur ==
+
+En vous inspirant du fichier  {{{etou.c}}}, écrivez le fichier {{{adder.c}}} qui construit
+en  mémoire  le  réseau  Booléen  correspondant  au circuit  additionneur  2  bits  décrit
+ci-dessus.   On   utilisera  pour   cela  les  fonctions   {{{BoolNet::addProcess()}}}  et
+{{{BoolNet::addSignal()}}}.  On prendra une valeur de 1 ns pour le temps de propagation de
+la porte {{{NAND2}}}, et de 2 ns  pour la porte {{{XOR2}}}.  Pour vérifier la structure du
+réseau  Booléen, on  utilisera la  fonction {{{toDot()}}}.   Cette fonction  construit une
+représentation graphique  du réseau Booléen,  et la sauvegarde  dans un fichier  au format
+{{{.gif}}} ou {{{.ps}}}.
+
+Modifiez le Makefile permettant de compiler ce programme ''adder.c'', et exécutez-le. 
+
+
+== C2.2) Construction et initialisation de l’échéancier ==
+
+Compléter le fichier {{{adder.c}}} {{{main()}}} pour créer l’échéancier et initialiser les
+événements  sur les  signaux d’  entrée a0,  b0,  c0, a1  et b1  de façon  à respecter  le
+chronogramme ci-dessous.   On utilisera la fonction  Scheduler::addEvent() et add_event().
+Attention  : le  passage de  la valeur  U (indéfinie)  à une  valeur 0  ou 1  constitue un
+événement : Dans ce  chronogramme, il y a donc un événement  sur tous les signaux d’entrée
+au temps {{{T = 0}}}.
+
+[[Image(chronogramme.png, nolink)]]
+
+Pour vérifier que l’échéancier est correctement initialisé, on pourra utiliser la fonction
+''Scheduler::drive()''.  Cette  fonction peut être  utilisée avant même l'exécution  de la
+fonction de simulation, pour générer un  fichier au format .pat qui décrit le chronogramme
+des signaux d'entrée. Vous pouvez visualiser ce chronogramme avec l’outil {{{xpat}}}.
+
+
+== C2.3) Simulation effective du circuit additionneur ==
+
+Introduisez  dans  le fichier  {{{adder.c}}}  la  méthode {{{Scheduler::simulate()}}}  qui
+effectue la simulation du réseau Booléen, jusqu'à  ce qu'il n'y ait plus aucun événement à
+traiter dans l'échéancier. Compilez ce programme, et analysez le chronogramme résultant
+
+
+== C2.4) Ecriture de la boucle de simulation ==
+
+Implémenter et remplacer progressivement toutes les classes qui vous on été fournies.