ЛЕКЦИЯ 5 ( ) Иерархия вычислительных систем Разновидности способов проектирования Уровни иерархии Уровни моделирования

СТП_L Структурная декомпозиция объекта Устройство Любой объект можно представить совокупностью взаимодействующих частей, которые в свою очередь состоят из более мелких деталей. Узел_2Узел_К Устройство Узел Элемент Микропроцессор Регистр Счётчик АЛУ Вентиль Триггер СТП_1 СТП_2 Узел_1 СТП_NСТП_1 Структурные примитивы (листья дерева) – поведенческие модели Таким образом, можно говорить об иерархическом описании объекта

Иерархия Иерархия используется для сокрытия мелких деталей по методу чёрного ящика. Только входы/выходы и выполняемая функция видны на определённом иерархическом уровне. Часто разработчику неважно, как структурирован компонент, например серийные микросхемы или ПЛИС Аналогия с программированием – функции, процедуры и макрокоманды сдерживают рост сложности программы. Расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему Иерархия – главное средство сокращения сложности описания проекта Использование иерархии не означает, что проект становится менее сложным, однако он становится более лёгким для восприятия (понимания) разработчиком

«Египетские» пирамиды Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС ПК, ЭВМ МП, МК, ОЗУ Регистры Счётчики Дешифраторы Сумматоры Триггеры Вентили Радиодетали Каждый иерархический уровень имеет своё название и свой базовый набор структурных примитивов. Архитектурный ППК Участки полупроводниковой среды СБИС CИС МИС Малые ИС Средние БИС Большие СБИС СверхбольшиеSoC – System on Chip

«Египетские» пирамиды (Структурные примитивы) Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Компоненты Радиодетали Топологические фигуры Элементы Узлы Устройства Блоки Структурные примитивы ПК, ЭВМ МП, МК, ОЗУ Регистры Дешифраторы Триггеры Вентили Транзисторы Резисторы Области ПП Структурные примитивы на каждом уровне имеют своё ОБОБЩЁННОЕ название.

Иерархия ВС представляет не только познавательный интерес Она структурирует наше мышление, помогает упорядочить наши знания Систематизирует мировоззренческое восприятие проблемы Раскладывает (классифицирует) в буквальном смысле по «уровням - полочкам» изучаемый материал Например, таблица Менделеева позволяет упорядочить наши знания в области химических наук Вопросы на «засыпку» Назовите «полочку» (уровень иерархии), на которой «лежит» триггер Что такое «Диаграмма Гайского - Кана»?

Уровни иерархии ВС Зарубежные названия уровней иерархии ВС Circuit Silicon Gate Register Chip System RTL GL PMS PMS – Processor Memory Switch RTL – Register Transfer Level (уровень регистровых передач) GL – Gate Level Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Процессор Память Коммутатор ППК

Виды моделирования Схемотехническое Компонентное Логическое Регистровое Эмуляция Системное Виды моделирования Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Электронное

Функциональные (поведенческие) модели примитивов Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Марковские модели, сети Петри, системы массового обслуживания Микрооперации, алгоритмические модели Логические таблицы, цифровые автоматы Булевские и характеристические уравнения Алгебраические и дифференциальные уравнения Уравнения в частных производных Теоретические модели У названных моделей есть и другие названия: математические, цифровые

Взаимодействие примитивов Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС PC ПК ЭВМ МП МК ОП Счётчик АЛУ Вентиль Триггер Радиодетали Топологические фигуры ПримитивыВзаимодействие примитивов На уровне пакетов и транзактов На уровне системных шин, каналов и коммутаторов На уровне байтов и машинных слов (локальных шин) На уровне двоичных сигналов (битов) На уровне электрических токов и напряжений На уровне электрических зарядов (дырок и электронов)

Иерархия ВС, САПР и языки описания аппаратуры Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС PML PCAD 4.5 PSPICE, DSL DesignLab 8.0 PSPICE VHDL, Verilog System Verilog SystemC OrCAD, Active-HDL VHDL - AMS VHDLAMS – расширение языка VHDL для моделирования аналоговых и смешанных схем (OrCAD и Active-HDL не поддерживают этот язык) Встроенная библиотека логических примитивов

Учебный план нашей специальности Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Физика, Высшая математика ОТЭЦ, Электроника Теория цифровых автоматов Схемотехника, Организация ЭВМ Микропроцессорные системы Компьютерные сети, ВС и комплексы

Окно проекта Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Окно проекта – группа смежных иерархических уровней, с которыми работает конкретный разработчик. Проектирование МК на уровне корпусов ИМС Проектирование системы на кристалле SoC (новой СБИС) Окно проекта REUSE Повторное использование в других разработках СИС МИС

Разновидности методов проектирования Библиотечный метод проектирования Часто проектирование выполняется в заданном элементном базисе – с использованием готовых ИМС или ПЛИС конкретного разработчика, например фирмы Xilinx или Altera Проектирование на уровне корпусов серийных ИМС (Chip Level Design) Беспаяльные технологии проектирования на ПЛИС Нисходящее проектирование (Top – Down Design) Восходящее проектирование (Bottom – Up Design) Многоуровневое проектирование

Транзисторный Кремниевый Системный Процессорный Регистровый Вентильный Проектирование на уровне корпусов ИМС Уровни иерархии ВС Контроллер Память Регистры ЦА Счётчики АЛУ ТриггерыВентили Проект представляется неполным деревом. Структурными примитивами могут оказаться ИМС разного уровня сложности. Проектирование ведётся с учётом того, «что уже имеется». Chip Level Design Комплектующие

Нисходящее и восходящее проектирование Транзисторный Кремниевый Вентильный Регистровый Процессорный Системный Уровни иерархии ВС Проектирование сверху - вниз Проектирование снизу - вверх Top – Down DesignBottom – Up Design Декомпозиционный принцип Нисходящее проектирование Восходящее проектирование Композиционный принцип Декомпозиция - разбиениеКомпозиция - объединение

Аналогия между макрокомандой и макромоделью МакрокомандаМакромодель Команда Модель СТП Макроассемблер Ассемблер Структурная модель Поведенческая модель Для пользователя макрокоманда записывается одной инструкцией и выглядит как простая команда В действительности в ней спрятано много простых команд и препроцессор выполнит необходимую замену Макромодель тоже представляется пользователю структурным примитивом На самом деле от пользователя просто скрыта структура целого фрагмента схемы, но компилятор раскроет её до истинных примитивов

Иерархическое проектирование Многоуровневое моделирование Метод локальной детализации объекта Центральным элементом системы в данный момент является микропроцессор ЭВМ Блок Устройство Узел Микропроцессор Устройства ввода/вывода Память РОНАЛУ Счётчик команд Проектируемая в настоящий момент времени часть объекта раскрыта подробно и представляется структурной моделью. Остальные фрагменты описаны на соседнем более высоком процессорном уровне в виде поведенческих моделей. Структурные примитивы Поведенческие модели Центральный элемент системы Структурная модель

Иерархическое проектирование Многоуровневое моделирование Метод локальной детализации объекта Центральным элементом системы теперь является память ЭВМ Блок Устройство Узел Память Устройства ввода/вывода Микропроцессор Структурные примитивы Поведенческие модели Центральный элемент системы Матрица памяти Дешифраторы адреса Контроллер памяти Описанный метод проектирования называется методом локальной детализации объекта, потому что в каждый момент времени подробно представлен только один фрагмент - тот, что находится «в работе». Структурная модель

Библиотечный метод проектирования Современные СМ поддерживают библиотечный метод проектирования, то есть содержат огромное число графических и функциональных описаний компонентов; причём эти библиотеки открыты для добавления в них новых описаний, которые может сделать сам пользователь. УГО – условное графическое изображение компонента Имя библиотеки Имя компонента Расширение графических библиотечных файлов OLB, например 7400.olb Добавить библиотеку

Библиотечный метод проектирования Для SPICE – проектов следует использовать библиотечные файлы из папки PSPICE Расширения файлов с графическим описанием компонентов OLB В пакете DesignLab 8.0 было краткое описание назначения компонента. В САПР OrCAD его нет! Тип файлов – схемная библиотека

Библиотечный метод проектирования Элемент из встроенной библиотеки Имя динамической модели (модель задержек) для логического элемента 74LS08 Функциональные описания компонентов находятся в файлах с расширением LIB

Библиотечный метод проектирования Динамическая модель компонента находится в том же библиотечном файле Имя динамической модели Величины типовых и максимальных задержек

Библиотечный метод проектирования Библиотеки пользователя следует подключать только к текущему проекту Следует активизировать закладку Libraries Nom.lib – системный файл со списком всех подключаемых по умолчанию библиотек Как подключить к проекту желаемую библиотеку математических моделей?

Поведенческие описания компонентов Digital Models – цифровые модели Краткое описание назначения компонента Макромодель компонента Динамическая модель Функция компонента Поведенческие модели находятся в библиотечных файлах с расширением LIB

Способы трансляции моделей по иерархическим уровням Узлы Элементы Устройства Блоки Структурные примитивы Поведенческие модели Встроенные модели Структурные модели Парадигма – образец решения исследовательских задач Старая парадигма Используется композиционный принцип Модели строятся снизу - вверх Цифровые абстракции

Способы трансляции моделей по иерархическим уровням Узлы Элементы Устройства Блоки Структурные примитивы Структ. модели Парадигма – образец решения исследовательских задач Новая парадигма ЯЛМ Пов. модели Структ. модели ЯЛМHDLЯЛМ Пов. модели Структ. модели Пов. модели ЯЛМ На каждом иерархическом уровне выполняется «свёртка» данных ЯЛМ – Язык Логического Моделирования