Prozessorentwurf mit VHDL

Modellierung und Synthese eines 12-Bit-Mikroprozessors

Dieter Wecker

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2018
• ISBN:
  9783110582833
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Electrical Engineering & Telecommunications

Der Entwurf eines 12-Bit-Mikroprozessors mit der Hardware-Beschreibungssprache VHDL steht im Mittelpunkt dieses Buches. Dazu werden verschiedene VHDL-Modelle erstellt und die Synthese-Ergebnisse miteinander verglichen.

Für den VHDL-Entwurf ist es wichtig, sich mit dem Source-Code vertraut zu machen. Daher wird für alle Modelle der zugehörige Source-Code ausführlich behandelt, wobei Grundkenntnisse in VHDL vorausgesetzt werden.

Die Entwürfe wurden mit einer CAD (Computer Aided Design)-Entwicklungs-Software erstellt, die kostenlos aus dem Internet heruntergeladen werden kann.

Mit Hilfe der vermittelten Grundlagen kann der Leser eigene VHDL-Modelle entwickeln.

Die Prozessor-Entwürfe wurden mit FPGAs (Field Programmable Gate Array) realisiert. Damit wird der Anwender in die Lage versetzt, Prototypen für bestimmte Anwendungen zu erstellen.

Das Buch richtet sich vor allem an Studierende der Fachrichtungen Informatik und Elektrotechnik.

1Grundlagen

1.1Einleitung

Das Ziel dieses Buches ist der Entwurf von digitalen Komponenten für Mikroprozessoren. Die Komponenten werden als VHDL-Modelle erstellt und getestet. Es werden mehrere Mikroprozessor-Versionen behandelt, bei denen unterschiedliche VHDL-Modelle für die Bausteine des Prozessors verwendet werden. Dabei werden die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Modelle beim Entwurf sichtbar. Die Synthese-Ergebnisse der verwendeten Entwicklungs-Software und damit die Hardware-Realisierung sind abhängig von den gewählten VHDL-Modellen. Für den Schaltungsentwurf ist es daher wichtig, die geeigneten Modelle zu erstellen. Beim Entwurf digitaler Systeme mit Hilfe der VHDL-Modellierung sind folgende Punkte zu beachten:

–Beschreibung des Modells mit synthetisierbarem VHDL-Code

–Synthese-Berichte analysieren

–Bedingungen für die Hardware festlegen

In der Praxis werden immer komplexere digitale Systeme benötigt in immer kürzeren Entwicklungszeiten. Der Begriff „Time-to-Market“ steht dabei im Vordergrund. Klassische Entwurfsmethoden wie z. B. die graphische Schaltplaneingabe können den Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Um diese Bedingungen zu erfüllen, werden leistungsfähige Entwurfssysteme mit einer geeigneten Hardware benötigt. Durch den Einsatz von CAD-Entwicklungs-Software und programmierbaren Logikbausteinen lassen sich diese Anforderungen nahezu erfüllen:

–kurze Entwicklungszeiten

–leichte Änderung des Designs

–Einsatz von IP-Cores

–Frühzeitige Fehlererkennung durch Simulationsmethoden

Die Entwicklungs-Software wird für die Modellierung und für die Umsetzung in die Hardware verwendet. Die Synthese-Tools setzen die VHDL-Modelle in Schaltpläne und Netzlisten um. Die Netzlisten werden für die Umsetzung in die Ziel-Hardware benötigt.

Eine wichtige Rolle für die Beschreibung von Designs spielen die Hardware-Beschreibungssprachen. Für den Entwurf von digitalen Systemen werden häufig die Hardware-Beschreibungssprachen VHDL und Verilog eingesetzt.

Die Hardware-Beschreibungssprache VHDL wurde bereits 1987 als IEEE 1076-87 standardisiert.

Für die vorliegenden Mikroprozessor-Entwürfe werden FPGAs (Field Programmable Gate Array) als Ziel-Hardware verwendet. FPGAs können für hochkomplexe Anwendungen eingesetzt werden. Hier handelt es sich um rekonfigurierbare, d. h. wiederbeschreibbare FPGA-Technologien. Der FPGA-Entwurf kann somit leicht an veränderte Bedingungen angepasst werden.

Für die Entwürfe kommt die Entwicklungs-Software ISE Design Suite von Xilinx zum Einsatz. Für alle VHDL-Modelle wird hier Standard-VHDL verwendet, so dass man bei den Modellen noch Hersteller-unabhängig ist.

Beim Einsatz von IP-Cores (Intellectual Property) können fertige Komponenten in das eigene Design integriert werden. IP-Cores erleichtern dem Entwickler die Arbeit, er muss nicht für jedes Teildesign die Schaltung selber entwickeln.

Durch den Einsatz von Simulations- und Analyse-Tools der Entwicklungs-Software ist eine frühe Fehlererkennung noch im Entwurfsstadium möglich, es ist eine wichtige Voraussetzung für den Entwurfsprozess.

Beim Entwurf von Mikroprozessoren, die in der Praxis eingesetzt werden, ist es notwendig, die Funktionsfähigkeit des Prototyps als Hardware zu testen. Dazu eignen sich Experimentier-Boards (Demo-Boards), die mit den FPGA- Chips ausgestattet sind, wie sie in der CAD-Entwicklungs-Software verwendet werden. Die Entwürfe des 12-Bit-Mikroprozessors in diesem Buch können auch mit derartigen Experimentier-Boards getestet werden.

1.2Entwurfsmethoden für digitale Systeme

Im Idealfall könnte der Entwurf komplexer digitaler Systeme wie in Abb. 1.1 aussehen. Am Anfang eines Entwurfs stehen die Systemspezifikationen, d. h. es müssen die Eigenschaften des Systems definiert werden. Mit Hilfe von Entwicklungs-Tools wird ein Modell erstellt, das die Eigenschaften des Systems beschreibt. Dazu können Hardware-Beschreibungssprachen verwendet werden. Für das Layout werden dann Synthese-Tools der Entwicklungs-Software eingesetzt. Dieser Idealfall ist in der Regel für komplexe digitale Systeme nicht möglich, man versucht jedoch, dem idealen Entwurfsverlauf möglichst nahe zu kommen. Dies führt automatisch in die Richtung von formalen Entwurfsmethoden. Ein grober Ansatz sind die beiden folgenden Entwurfsmethoden:

–„Top-down-Entwurf“

–„Bottom-up-Entwurf“

Im ersten Fall geht man von der obersten Entwurfsebene aus. Dabei interessiert man sich nur für die Eigenschaften, die von dem System gefordert werden. Die unteren Ebenenwerden zunächst als Black Boxes behandelt, d. h. man betrachtet nur die Funktionen der einzelnen Komponenten mit den zugehörigen Ein- und Ausgängen. Die hierarchische Struktur wird dann immer weiter in Teilkomponenten zerlegt, bis das ganze System nur noch aus Basiskomponenten besteht.

Im zweiten Fall geht man in der Regel von der Ebene der Basiselemente aus, d. h. den logischen Gattern und entwickelt daraus komplexere Komponenten. Man versucht bei dieser Methode, das System in Teilaufgaben zu zerlegen und dann sukzessiv zum komplexen Gesamtsysten zu kommen. Hier hat man oft den Vorteil, dass bereits geeignete Komponenten aus anderen Entwürfen vorhanden sind, die verwendet werden können. Der Nachteil dieser Methode ist, das der gesamte Entwurf so in Teilaufgaben zerlegt wird, dass das System zu unübersichtlich wird. Diese beiden Entwurfsmethoden „Top-down“ und „Bottom-up“ benötigen viel Erfahrung beim Entwurf von digitalen Systemen und dem Beachten von Entwurfsregeln. Aus diesen Betrachtungen geht hervor, dass man für den Entwurf von komplexen digitalen Systemen formale Ansätze benötigt. Mit den Hardware-Beschreibungssprachen VHDL, Verilog oder anderen geeigneten Hochsprachen wird versucht, mit Hilfe von formalen Ansätzen komplexe Systeme zu beschreiben. Dabei ergeben sich folgende Schwerpunkte:

Abb. 1.1: Entwurf von digitalen Systemen.

–Modellierung

–Strukturierung

–Beschreibungsmittel

–Synthese

–Verifikation

Bei der Modellierung können unterschiedliche Beschreibungssprachen für die Beschreibung der Hierarchie-Ebenen und die Strukturierung der Ebenen eingesetzt werden. Die Hierarchie-Ebenen, die auch als Entwurfsebenen bezeichnet werden, sollen den Entwurf in den unterschiedlichen Abstraktionsformen beschreiben. Die Ebenen verlaufen von der Systemspezifikation (Systemebene) bis hin zur Layout-Ebene. Die Layout-Ebene ist beim FPGA-Entwuf die „Place-and-Route“-Ebene. Wichtige Beschreibungsmittel sind:

$\text{Netzliste}\left(\text{EDIF}\right)\to \left(\text{VHDL,Verilog}\right)\to \text{SystemC}\to \text{UML}$

Die Abstraktion nimmt dabei von links nach rechts zu. Auf der untersten Ebene ist ein Netzlistenformat zugeordnet (EDIF: Electronic Design Interchange Format). Auf dieser Ebene befinden sich die logischen Gatter mit den Grundverknüpfungen. Für diese Ebene und die nächst höheren Entwurfsebenen können die Beschreibungssprachen VHDL und Verilog angewendet werden. Der Sprachumfang in VHDL ist größer als in Verilog, es existieren in VHDL z. B. mehr Datentypen für die Beschreibung komplexer Systeme. Für die Beschreibung der Entwurfsebenen kann VHDL bis hinauf zur Systemebene angewendet werden. Eine grobe Einteilung der Entwurfsebenen zeigt die folgende Auflistung:

$\text{SK-Ebene}\to \text{Logikebene}\to \text{RT-Ebene}\to \text{Algorith}\text{.-Ebene}\to \text{Systembene}$

SK steht für Schaltkreis und RT für Register-Transfer. Die Abstraktion nimmt von links nach rechts zu. Für den FPGA-Entwurf kann man die Logikebene als unterste Ebene ansehen, da die Schaltkreisebene bereits vorstrukturiert ist.

Die als SystemC bezeichnete Beschreibungssprache ist eine Erweiterung der Hochsprachen C und C++. Mit ihr können komplexe digitale Systeme effektiv beschrieben und simuliert werden. Durch den höheren Abstraktionsgrad steigt besonders die Simulationsgeschwindigkeit des Systems. Mit der Komplexität des Systems steigt entsprechend auch die Simulationszeit. Mit den sog. C-Modellen lassen sich Systemspezifikationen effektiver simulieren als z. B. mit VHDL oder Verilog [1, 2]. Mit UML (Unified Modeling Language) lässt sich ein digitales System in abstrakter Form beschreiben. UML ist eine Beschreibungssprache, die komplexe digitale Systeme in strukturierter Form beschreiben kann. Sie ist standardisiert und kann als Beschreibungsmittel auf Systemebene eingesetzt werden. Sie wird auch zunehmend für die Beschreibung und Simulation von SoC(System on Chip)-Entwürfen verwendet. Mit UML versuc...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• 1 Grundlagen
• 2 Das 12-Bit-Mikroprozessor-System (MPU12_S)
• 3 Modellierung des 12-Bit-Mikroprozessor-Systems(1)
• 4 Modellierung des 12-Bit-Mikroprozessor-Systems(2)
• 5 Modellierung des Mikroprozessor-Systems(3)
• 6 Vergleich der Mikroprozessor-Systeme
• 7 Testen der 12-Bit-Mikroprozessor-Systeme
• 8 Durchführung der Tests mit dem Demo-Board
• A Anhang
• Literatur
• Stichwortverzeichnis