Laboratoare Circuite Logice Programabile

În această lucrare se prezintă principiul simulatoarelor şi al simulării funcţionale asistate de

calculator pentru circuite, iar apoi se prezintă un exemplu de simulare utilizând utilitarele puse la

dispoziţie de sistemul de proiectare Xilinx ISE pentru simularea funcţională a circuitelor. Aceste

utilitare sunt programul HDL Bencher, care permite crearea unor bancuri de test necesare pentru

simulare, şi simulatorul ModelSim, care permite simularea circuitelor specificate prin scheme logice

sau limbaje de descriere hardware.

1. Simularea asistată de calculator

1.1. Principiul simulării asistate de calculator

Simularea unui circuit permite verificarea funcţionării circuitului pe baza specificării acestuia

prin oricare din metodele uzuale (limbaje de descriere hardware, scheme, diagrame de stare), înainte

de implementarea efectivă a circuitului. Simularea asistată de calculator este metoda cea mai utilizată

pentru simularea circuitelor, utilizarea acestei metode devenind posibilă şi pentru sistemele digitale

complexe odată cu creşterea semnificativă a performanţei sistemelor de calcul moderne. Simularea se

realizează cu ajutorul unui program simulator, care construieşte un model al circuitului pe baza

descrierii acestuia de către proiectant, model care este echivalent cu o copie virtuală a circuitului

proiectat. Simulatorul execută apoi modelul circuitului şi analizează răspunsul acestuia la o serie de

combinaţii ale intrărilor aplicate circuitului într-un anumit interval de timp; o asemenea combinaţie

este numită vector de test sau stimul.

Pe lângă vectorii de test, proiectantul poate specifica şi ieşirile aşteptate ale circuitului pentru

fiecare vector. În acest caz, simulatorul va compara ieşirile generate prin execuţia modelului cu cele

specificate de proiectant, care sunt cunoscute ca fiind corecte, afişând mesaje de eroare în cazul

existenţei unor diferenţe între acestea. Dacă se detectează erori la simulare, descrierea circuitului

poate fi corectată mult mai simplu decât în cazul în care circuitul a fost implementat.

Pentru simularea sistematică a funcţionării unui circuit, de multe ori se creează un banc de

test (“testbench”), constând din circuitul care trebuie testat şi module adiţionale pentru generarea

vectorilor de test şi aplicarea acestora la intrările circuitului. Vectorii de test pot fi reprezentaţi fie de

toate combinaţiile posibile ale intrărilor circuitului (dacă este posibil), fie de combinaţiile

reprezentative pentru toate situaţiile de funcţionare. Prin utilizarea bancurilor de test este posibilă

simularea circuitului în condiţii reale, când acestuia i se aplică intrări din mediul exterior, de la un

operator uman, sau de la un alt circuit sau sistem digital.

Simularea asistată de calculator are următoarele avantaje principale:

• Simularea permite experimentarea cu diferite variante de proiectare şi condiţii de funcţionare

ale circuitului, fără a fi necesară implementarea acestor variante. Proiectantul va putea

implementa apoi varianta cea mai eficientă din punctul de vedere al performanţelor şi al

costului.

• Prin utilizarea simulării asistate de calculator este posibilă testarea sistematică a circuitelor

prin aplicarea unui număr mare de vectori de test la intrările circuitului, vectori care pot fi

generaţi prin program sau pot fi specificaţi sub formă tabelară.

Structura sistemelor de calcul – Simularea funcţională a circuitelor2 cu simulatorul ModelSim

• Pentru circuite sau sisteme digitale complexe, simularea asigură reducerea costurilor şi

reducerea numărului erorilor de proiectare comparativ cu cazul în care se utilizează un

prototip hardware pentru testare. Realizarea unor circuite complexe cum sunt

microprocesoarele moderne nu ar fi fost posibilă fără utilizarea intensivă a simulării asistate

de calculator.

1.2. Tipuri de simulare

Simularea poate fi executată în diferite etape ale procesului de proiectare şi poate utiliza

diferite nivele de abstractizare ale circuitului specificat printr-o anumită metodă.

Simularea funcţională constă în simularea unei descrieri la nivel înalt a circuitului. Această

descriere specifică funcţionarea circuitului, şi nu structura acestuia. Pentru descrierea circuitului se

pot utiliza diferite limbaje de modelare, cum sunt limbajele de programare. În acest caz, simularea

constă în compilarea şi execuţia modelului respectiv. În cele mai multe cazuri, simularea funcţională

se bazează pe un model al circuitului sub forma unei descrieri într-un limbaj de descriere hardware

(HDL).

Simularea logică reprezintă analiza funcţionării unui circuit pe baza valorii unor variabile

logice. Această simulare este numită şi simulare la nivelul transferurilor între registre (RTL –

Register Transfer Level), deoarece variabilele simulate sunt cele păstrate în registre. Simularea

evaluează în fiecare ciclu de ceas funcţiile logice ale căror valori sunt înscrise în registre.

Simularea la nivel de circuite se referă la analiza funcţionării unor modele ale circuitelor

reprezentate prin interconectarea unor dispozitive electronice cum sunt tranzistoare, rezistenţe şi

condensatoare. Această simulare constă în calcularea nivelelor de tensiune în funcţie de timp din toate

nodurile circuitului sau o parte a nodurilor. Aceasta presupune formularea şi rezolvarea unui mare

număr de ecuaţii diferenţiale, necesităţile de memorie şi de timp de calcul fiind ridicate.

Simularea temporală constă în simularea funcţionării circuitului după determinarea întârzierii

reale a semnalelor pe diferitele căi de date. Această simulare se utilizează în special pentru circuitele

programabile, la care întârzierile semnalelor nu vor fi cunoscute decât în urma implementării

circuitului, atunci când se poate determina numărul de conexiuni programabile utilizate pentru rutarea

semnalelor. Informaţiile despre întârzierile semnalelor sunt furnizate simulatorului printr-o operaţie

numită adnotare inversă. Simularea temporală permite analiza funcţionării în condiţii reale a

circuitului şi determinarea frecvenţei maxime de funcţionare a acestuia.