sistemas digitais nÍvel de transferÊncia entre ?· introduÇÃo: nos projetos de circuitos...

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  • SISTEMAS DIGITAIS

    NVEL DE TRANSFERNCIA ENTRE REGISTRADORES

    Prof. Lus Caldas

    2017

  • FLUXO DE DADOS Prof. Lus Caldas

    Pg. 2

    NDICE

    I - INTRODUO ............................................................................ 13

    Composio funcional do Fluxo de dados ............................................................................... 13

    Sinais de controle e de habilitao e status do Fluxo de dados ...................................... 14

    II - PROJETO DO FLUXO DE DADOS GERAL ................ Erro! Indicador no definido.

    Introduo ................................................................................ Erro! Indicador no definido.

    III - Fluxo de Dados Geral ................................................................. 43

    Implementao da unidade de controle ................................................................................ 49

    Implementao por diagrama de estados ............................................................................. 49

    Implementao da mquina de estados finitos - FSM ....................................................... 50

    Diagrama de tempo ..................................................................................................................... 51

    Implementao do algoritmo por rede de Petri .................................................................. 52

    IV - Fluxo de dados mais complexo ......................................................... 53

    Implementao por diagrama de estados ............................................................................. 57

    Implementao da mquina de estados finitos - FSM ....................................................... 58

    Implementao do algoritmo por rede de Petri .................................................................. 59

    Diagrama de tempo .................................................................................................................... 60

    V - EXERCCIOS DE APLICAO ......................................................... 61

    VI - EXERCCIOS PROPOSTOS............................................................. 70

  • FLUXO DE DADOS Prof. Lus Caldas

    Pg. 3

    FLUXO DE DADOS PROJETO RTL

    Introduo: O estudo de circuito digital bsico focaliza o desenvolvimento de subsistemas

    digitais combinacionais e seqenciais. As unidades funcionais so os meios para a realizao

    de operaes complexas, como, por exemplo, a adio de vrios nmeros ou mesmo a

    comparao entre nmeros e as suas ordenaes. A questo como projetar um circuito, a

    fim de realizar operaes mais complexas ou realizar operaes que envolvam mltiplos

    passos?

    Um exemplo de um problema mais complexo como desenvolver um circuito capaz de

    adicionar quatro nmeros ou ainda a questo mais radical, como adicionar um milho de

    nmeros?

    Para adicionar quatro nmeros possvel conectar quatro somadores juntos, mas para

    adicionar um milho de nmeros, no se pode adicionar um milho de somadores juntos. A

    resposta para as operaes de mltiplos passos fluxo de dados, onde possvel resolver

    realmente o problema e realizar e coordenar as operaes, as quais envolvem mltiplos

    passos. A partir de algoritmos detalhados, possvel desenvolver sistemas digitais completos

    partindo inicialmente na adequao do fluxo de dados para soluo do algoritmo e

    implementar em seguida a unidade de controle para uma funo dedicada, uma FSM ou

    mquina de estados finitos. Essa abordagem de implementao chamada de sistema RTL,

    sistemas em nvel de transferncia entre registradores. A fim de estudar como desenvolver e

    projetar mquina para esta finalidade, inicialmente temos que conhecer funcionalmente cada

    componente do sistema digital completo e iniciaremos o projeto RTL com o estudo do grafo

    de execuo.

    GRAFO DE EXECUO

    A abordagem RTL dividida em dois subsistemas digitais: subsistema datapath ou fluxo de

    dados e o subsistema unidade de controle. O contedo do registrador determina o estado

    do sistema. A funo do sistema realizada atravs de passos em uma seqncia de

    transferncias entre registradores e em muitos ciclos de relgio. Essa seqncia de

    transferncia dos dados realizada de um registrador para outro. A unidade de controle

    comanda atravs de sinais de controle a seqncia de operaes no fluxo de dados. A seguir

    apresentamos tipos de grafos de execues para a realizao de um sistema s(x).

    Exemplo: Encontrar uma soluo para o sistema s(x) = p3x3 + p2x2 + p1x + p0, Usar grafo de

    execuo do tipo seqencial:

    a) Desdobrando a expresso Operao seqencial

    s(x) = ((p3x + p2)x + p1)x + p0.

  • FLUXO DE DADOS Prof. Lus Caldas

    Pg. 4

    a.1) Grafo de execuo a.2) Loop

    INICIO

    S = p3x + p2

    S = Sx + p1

    S = Sx + p0

    END

    b) Evidenciando x na expresso s(x) Operao concorrente

    s(x) = x2(p3x + p2) + (p1x + p0)

    ORGANIZAO DE SISTEMAS Um sistema pode ser organizado quanto a forma de

    controle em centralizado, descentralizado e semicentralizado.

    a) Centralizado A unidade de controle controla todo o sistema, gerando sinais de controle

    para as unidades funcionais, como, multiplexadores, unidades aritmticas, registradores

    entre outros e recebe sinais que evidenciam condies.

    INICIO

    A = x * x B = p3x + p2 C = p1x + p0

    S = A * B + C

    END

    INICIO

    S = p3

    i = 2

    S = Sx + pi

    i = i - 1

    i > = 0

    INICIO

  • FLUXO DE DADOS Prof. Lus Caldas

    Pg. 5

    Mdulo 1

    Mdulo 2

    Mdulo 3

    b) Descentralizado Cada mdulo no sistema contm mecanismos para controlar a prpria

    operao no modo seqencial. A unidade de controle est dentro de cada mdulo e individual.

    Mdulo 1

    Mdulo 2

    Mdulo 3

    c) Semidescentralizado uma combinao dos tipos centralizada e descentralizada, onde o

    controle do mdulo interno ao mdulo e individual, mas a unidade de controle controla os

    dados de entrada e sada dos mdulos como um todo e centralizado.

    Mdulo 1

    Mdulo 2

    Mdulo 3

    Nota: S estudaremos controle centralizado. A execuo dos grafos seqencial ou grupo

    seqencial. A organizao RTL consiste em dois subsistemas fluxo de dados e unidade de

    controle.

    U.C. F.D.

    D

    A

    D

    O

    S

    C

    O

    N

    T

    R

    O

    L

    E

    D

    A

    D

    O

    S

    D

    A

    D

    O

    S

    C

    O

    N

    T

    R

    O

    L

    E

    Dados de

    Sada

    Sinais de

    Controle

    Dados de

    Entrada Reset

    Controle

    Condies

  • FLUXO DE DADOS Prof. Lus Caldas

    Pg. 6

    NVEL DE TRANSFERNCIA ENTRE REGISTRADORES

    INTRODUO: Nos projetos de circuitos digitais e integrados, a descrio da operao de

    um circuito digital sncrono denominada como operao em RTL (do ingls Register Transfer

    Level). No projeto digital completo, duas unidades definidas como fluxo de dados e de

    controle compe o sistema. O fluxo de dados responsvel por toda a operao e manipulao

    dos dados e gera sinais necessrios para a unidade de controle enquanto essa unidade

    responsvel pela evoluo e coordenao do fluxo de dados gerando sinais para as unidades

    funcionais do fluxo de dados. O projeto deve ser implementado como uma seqncia de

    operaes realizadas as quais denominaremos de instrues. Cada instruo realizada ser

    feita num ciclo de relgio, entrada para a unidade de controle e fluxo de dados.

    PROCESSO DE PROJETO CIRCUITOS DIGITAIS

    O processo de projeto de circuitos digitais pode ser descrito em duas fases sendo captura e

    converso para circuito. Por exemplo:

    Tipo de circuito Captura Converso

    Combinatrio Comportamento do circuito por:

    Equao booleana ou tabela da verdade

    Converte o comportamento

    Para circuito.

    Seqencial Comportamento do circuito por:

    equao de estados e sada (FSM)

    Converte o comportamento

    Para circuito.

    RTL Comportamento do processador por:

    FSM de alto nvel RTL

    Converte o comportamento

    Para circuito.

    MTODO DE PROJETO DO RTL.

    O mtodo de projeto RTL ser realizado, conforme acima em quatro passos como descritos a

    seguir na tabela a seguir.

    Passo 1: Processo de captura o qual descreve o comportamento do circuito atravs de um

    algoritmo com operaes a serem realizadas dentro de uma seqncia desejada;

    Passo 2: Definio do fluxo de dados;

    Passo 3: Projeto do controlador ou unidade de controle;

    Passo 4: Converso do algoritmo em instrues da FSM de alto nvel e definindo as palavras

    de controle a serem geradas pela unidade de controle ao fluxo de dados e os sinais recebidos

    pela unidade de controle do fluxo de dados.

    Obs.: Um quinto passo necessrio para definir a freqncia do relgio e o tipo de transio

    das unidades funcionais, subida ou descida.

  • FLUXO DE DADOS Prof. Lus Caldas

    Pg. 7

    UNIDADES FUNCIONAIS

    As unidades funcionais so partes integrantes do fluxo de dados e podem ser do tipo:

    comparadores. ULA, registradores de arquivos, registradores de propsito geral, contadores,

    multiplexadores e outros. Embora so circuitos estudados em circuitos digitais combinatrios

    e seqenciais, vamos mostrar cada um deles comeando pelo multiplexador. Para a construo

    do multiplexador para N bits deve-se associar MUX para a sua constr