Vizualizare sursă pentru „Introducere. SystemVerilog HDL”

De la WikiLabs

← Introducere. SystemVerilog HDL

Nu aveți permisiunea să modificați această pagină, din următorul motiv:

---

Puteți vizualiza și copia sursa acestei pagini.

== Introducere în Circuite Digitale == [[Fișier:Analogic_sig.png|thumb|Semnal analogic]] === Semnale analogice === Începând cu lecțiile de electrocinetică de la orele de fizică din liceu (surse de tensiune, rezistențe, condensatoare, bobine, etc.) și terminând cu orele de [[Dispozitive și Circuite Electronice]], sistemele studiate au fost formate din componente formând ciruite analogice. Circuitele analogice sunt circuite în care mărimile studiate (curent, tensiune), variază continuu în anumite intervale. Un exemplu concret este un amplificator audio, care preia un semnal sonor analogic și îl amplifică pentru a putea fi transmis mai departe, la un sistem de boxe. Puteți vedea un exemplu de semnal analogic în figura alăturată. Desigur, această imagine este generată de un computer, care este un dispozitiv digital, astfel ea nu poate reprezenta un semnal analogic adevărat ci poate doar simula un astfel de semnal, cu o anumită precizie. === Semnale digitale === [[Fișier:Sampled.signal.svg|thumb|Semnal eșantionat (discret în timp cu valori continue)]] [[Fișier:Quantized.signal.svg|thumb|Semnal cuantizat (continuu în timp cu valori discrete)]] [[Fișier:Digital.signal.svg|thumb|Semnal digital (cuantizat și eșantionat)]] Un semnal digital este o înșiruire de valori discrete, fiecare din aceste valori făcând parte dintr-o mulțime discretă de valori raționale. Transformarea unui semnal analogic într-un semnal digital, implică o pierdere de precizie. Să luăm spre exemplu un semnal analogic sinusiodal simplu, reprezentând variația în timp a tensiunii la bornele unui rezistor. Între momentele t=0 și t=1, funcția, fiind continuă, are o infinitate de valori, prin urmare este imposibil de a izola fiecare valoare în parte, șirul astfel obținut fiind infinit. Procedura, în această situație, este de a izola doar o parte din valori, la anumite momente de timp, numite eșantioane, astfel încât să obținem un șir finit de valori. Această procedură se numește [http://en.wikipedia.org/wiki/Sampling_(signal_processing) eșantionare], iar perioada de timp dintre două eșantioane succesive, poartă numele de perioadă de eșantionare. Cu cât perioada de eșantionare este mai mică (respectiv frecvența de eșantionare mai mare), cu atât semnalul digital obținut este o copie mai fidelă (pierdere mai mica de precizie) față de semnalul analogic original. Dacă totuși semnalul analogic este de bandă limitată (adică poate fi scris ca o sumă finită de semnale sinusoidale), atunci [http://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem teorema eșantionării] arată că dacă eșantionarea se face cu o frecvență de cel puțin de două ori mai mare decât frecvența maximă din spectrul semnalului, din seria de eșantioane se poate obține cu precizie de 100% semnalul analogic original. Totuși, mai există o problemă. Semnalul fiind continuu, valorile eșantioanele se află într-un spațiu continuu, prin urmare de precizie infinită. Pentru a reduce precizia valorilor, se utilizează un procedeu numit [http://en.wikipedia.org/wiki/Quantization_(signal_processing) cuantizare]. Acest procedeu implică împărțirea intervalului de valori posibile pentru semnal în subdiviziuni. Cu cât aceste subdiviziuni sunt mai fine, cu atât valorile obținute prin cuantizare vor fi mai aproape de valorile reale ale semnalului original, dar vor fi reprezentate cu un număr mai pare de simboluri. În concluzie, un semnal digital este o înșiruire de numere, obținute prin eșantionarea și cuantizarea unui semnal analogic. === Numere și simboluri. [http://en.wikipedia.org/wiki/Numeral_system Baze de numerație] === După cum s-a observat în capitolul anterior, un semnal digital este o înșiruire de valori. Aceste valori sunt reprezentate folosind simboluri, aparținând unei baze de numerație. Cel mai simplu exemplu este cel cu care suntem obișnuiți cu toții, adică baza zecimală, folosind ca simboluri cifrele de la 0 la 9. Dar acesta nu este nici pe departe singurul. Alte exemple ar fi sistemul de numerație roman, unde se folosesc ca simboluri literele I, V, X, L, C, D și M, unde valoarea acestor simboluri intr-un număr depinde de ordinea lor. Același lucru îl putem spune și despre baza de numerație zecimala, unde, spre exemplu, simbolul 9 are altă valoare dacă se află pe prima poziție (9) decât dacă se află pe a doua (90). Ce este interesant de reținut este că, în ciuda asocierii mentale dintre simbolurile cu care am fost obișnuiți de mici să lucrăm și valorile numerice pe care acestea le exprimă, cele două noțiuni sunt complet distincte. Valoarea „zece” poate fi exprimată numeric în baza zecimala ca 10, în sistemul de numerație roman ca X, în sistemul hexazecimal ca A, în sistemul binar ca 1010, în cel octal ca 12, dar toate aceste reprezentări exprimă, de fapt, același număr. ==== Sistemul de numerație binar ==== Sistemul binar este un sistem de numerație bazat pe [http://en.wikipedia.org/wiki/Boolean_algebra_(logic) algebra booleană]. Acest sistem utilizează doar două simboluri, de cele mai multe ori, acestea fiind 0 și 1. Prin urmare, un număr poate fi reprezentat în sistemul binar (numit și baza 2) ca o secvență de 0 și 1. Ordinea simbolurilor într-un număr scris în baza doi respectă aceleași reguli ca și numerele scrise în baza zecimală. Astfel, daca într-un număr zecimal, cifra 7 pe poziția 4 era echivalentă cu valoarea 7 * 10⁴, unde 10 este egal cu numărul de simboluri distincte folosite, atunci în baza 2, un 1 pe pozitia 4 este echivalent cu valoarea 1 * 2⁴. Aceasta este și regula de transformare a numerelor din baza 2 în baza 10. Prin urmare: 1001010₍₂₎ = 0 * 2⁰ + 1 * 2¹ + 0 * 2² + 1 * 2³ + 0 * 2⁴ + 0 * 2⁵ + 1 * 2⁶ = 0 + 2 + 0 + 8 + 0 + 0 + 64 = 54₍₁₀₎ Transformarea unui număr din baza zecimală în cea binară implică împărțirea repetată la 2 (numărul de simboluri ale bazei), unde deîmpărțitul la fiecare iterație este dat de câtul împărțirii anterioare. Operația se repetă cât timp câtul este diferit de 0. Numărul în baza binară este dat de secvența resturilor începând cu ultima împărțire și terminând cu prima. ==== Sistemul de numerație hexazecimal ==== Avantajul sistemului binar este că numărul redus de simboluri face ca și numărul de operații posibile între două simboluri aleatoare să fie redus, prin urmare este ușor de imaginat o rezlizare fizică a unor circuite care să implementeze aceste operații. Dezavantajul este că pentru numere relativ mici, este nevoie de multe simboluri pentru reprezentare. Așadar, pentru flexibilitatea operației cu valori reprezentate cu multe simboluri, se utilizeaza baza de numerație hexazecimală, adică baza 16. După cum îi spune și numele, baza hexazecimală utilizează 16 simboluri: cifrele de la 0 la 9, și caracterele a, b, c, d, e și f. Utilizarea bazei 16 este avantajoasă datorită trecerii foarte ușoare între ea și baza 2. Astfel, la orice valoare reprezentată printr-o secvență de patru simboluri binare corespunde unul și numai un simbol hexazecimal. === Numere și circuite === [[Fișier:Not_gate.png|thumb|Simbol inversor(A - intrare, out - ieșire)]] [[Fișier:CMOS_inverter.png|thumb|Inversor alcătuit din tranzistoare CMOS]] În electronica digitală, ca de fapt în toată ramura tehnologiei care lucrează cu circuite digitale (adică calculatoare) ca și în teroria informației, un element care poate lua o valoare binară asociată unui simbol binar, se numește [http://en.wikipedia.org/wiki/Bit bit]. Baza circuitelor digitale, oricât de complexe, este dată de sub-circuitele care calculează operațiile unare și binare (adică care care au unul respectiv doi operanzi) între doi biți. Un astfel de sub-circuit se numește poartă (en:[http://en.wikipedia.org/wiki/Logic_gate gate]). Modul de codare a valorilor asociate simbolurilor binare, în electronica digitală este printr-o diferență de potențial între două puncte. În tehnologia curentă utilizată ([http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS CMOS]), o tensiune între 0 și Vdd/2 este asociată valorii binare de 0 iar o tensiune între Vdd/2 și Vdd valorii binare de 1.[http://en.wikipedia.org/wiki/Logic_level] Cea mai simplă poartă este cea care implementează operația logică de negare (are o singură intrare și o singură ieșire care este intotdeauna diferită de cea de intrare, adică pentru intrarea 0, ieșirea este 1 și pentru intrarea 1, ieșirea este 0). Această poartă se numește inversor, sau poartă NU (en: [http://en.wikipedia.org/wiki/Inverter_(logic_gate) inverter], NOT gate). Simbolurile și tabelele de adevăr pentru cele mai utilizare porți: {| class="wikitable" ! Tip !! Simbol !! Formulă !! Tabel de adevăr |- | '''AND''' | [[Image:AND ANSI.svg|AND symbol]] | A * B | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |colspan=2|'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || B || A AND B |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 0 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 1 || 1 |} |- | '''OR''' | [[Image:OR ANSI.svg|OR symbol]] | A + B | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |colspan=2|'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || B || A OR B |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 0 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 1 || 1 |} |- | '''NOT''' | [[Image:NOT ANSI.svg|NOT symbol]] | !A | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || NOT A |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 |} |- | colspan="4" |In electronics a NOT gate is more commonly called an inverter. The circle on the symbol is called a ''bubble'', and is used in logic diagrams to indicate a logic negation between the external logic state and the internal logic state (1 to 0 or vice versa). On a circuit diagram it must be accompanied by a statement asserting that the ''positive logic convention'' or ''negative logic convention'' is being used (high voltage level = 1 or high voltage level = 0, respectively). The ''wedge'' is used in circuit diagrams to directly indicate an active-low (high voltage level = 0) input or output without requiring a uniform convention throughout the circuit diagram. This is called ''Direct Polarity Indication''. See IEEE Std 91/91A and IEC 60617-12. Both the ''bubble'' and the ''wedge'' can be used on distinctive-shape and rectangular-shape symbols on circuit diagrams, depending on the logic convention used. On pure logic diagrams, only the ''bubble'' is meaningful. |- | '''NAND''' | [[Image:NAND ANSI.svg|NAND symbol]] | !(A * B) | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |colspan=2|'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || B || A NAND B |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 1 || 0 |} |- | '''NOR''' | [[Image:NOR ANSI.svg|NOR symbol]] | !(A + B) | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |colspan=2|'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || B || A NOR B |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 1 || 0 |} |- | colspan="5" | |- | '''XOR''' | [[Image:XOR ANSI.svg|XOR symbol]] | A &oplus; B | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |colspan=2|'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || B || A XOR B |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 0 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 1 || 0 |} |- | '''XNOR''' | [[Image:XNOR ANSI.svg|XNOR symbol]] | !(A &oplus; B) | {| class="wikitable" align=right |- bgcolor="#ddeeff" align="center" |colspan=2|'''INPUT''' || '''OUTPUT''' |- bgcolor="#ddeeff" align="center" | A || B || A XNOR B |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 0 || 1 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |0 || 1 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 0 || 0 |- bgcolor="#ddffdd" align="center" |1 || 1 || 1 |} |} == Implementarea circuitelor digitale folosind FPGA == În lumea înconjuratoare, omul se confruntă cu o mare diversitate de probleme. Aceste probleme au diverse moduri de rezolvare: * Hardware * Software * mixte: Hardware-Software (specific pentru majoritatea sistemelor complexe) <syntaxhighlight lang="verilog"> module Counter( input [7:0] in0, input [7:0] in1, output [8:0] out ); assign out = in0 + in1; endmodule </syntaxhighlight> == Resurse externe == [http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/ http://www.circuiteelectrice.ro/electronica-digitala/]

Înapoi la Introducere. SystemVerilog HDL.