CID Seminar 3

În acest seminar veţi învăţa ce este un circuit secevențial și cum se descrie acesta în Verilog.

Cuvinte cheie: clock, flip-flop, atribuire blocking/ non-blocking, hazard

Sintaxă Verilog: always, initial, forever

Circuitele digitale sunt de două tipuri:

1. circuite logice combinaționale (CLC) - pot fi descrise fie folosind instrucțiuni de tip assign, fie folosind procese de tip always
2. circuite secvențiale - pot fi descrise folosind doar procese de tip always

Exerciţiul 1

Să se descrie în Verilog un bistabil D cu următoarele caracteristici:

• semnal de ceas activ pe frontul pozitiv
• semnal de reset sincron cu ceasul, activ pe palierul de 0

Explicaţie suplimentară

Circuitul cel mai des folosit pentru a sincroniza un semnal oarecare cu ceasul este bistabilul D (numit și flip-flop FF). Bistabilul D din acest exemplu are următoarele porturi:

• Clk – intrarea de ceas, activă pe frontul pozitiv
• D – intrarea de date
• nReset – intrare sincronă cu semnalul de ceas; nReset activ pe palierul de 0
• Q – ieşirea circuitului

Observație: Semnalul de reset va fi întotdeauna sincron cu ceasul, adica își va schimba valoarea din 1 în 0 sau invers întotdeauna pe frontul activ al ceasului!!!

Descrierea unui bistabil în Verilog la nivel RTL este posibilă doar folosind procese de tip always, având în lista de sensitivități cel puțin frontul pozitiv al ceasului.

În procesele cu ceas, se atribuie valori semnalelor folosind atribuirea de tip non-blocking (cu operatorul <=, care în acest context înseamnă "ia valoarea", şi NU mai mic sau egal!!!), spre deosebire de procesele always ce descriu circuite pur combinaționale și unde atribuirea de valori noi se face folosind doar atribuirea de tip blocking (cu operatorul =).

Exerciţiul 2

Simulaţi funcţionarea bistabilului D. Pe intrarea CK se va aplica un semnal periodic, cu perioada 6 unități de timp.

Explicaţie suplimentară

Semnalul de ceas are următoarele proprietăți:

1. Este semnal dreptunghiular (la fel ca toate celelalte semnale digitale)
2. Este un semnal periodic
3. Este singurul semnal dintr-un sistem digital care este activ pe front. Toate celelalte semnale prezente într-un sistem digital sunt active pe palier.

Modalitatea cea mai simplă prin care se poate genera un semnal de ceas în Verilog este folosind un proces initial și o buclă forever. După instrucțiunea forever nu se mai adaugă nici o instrucțiune, deoarece ea nu se va executa niciodată.

Exerciţiul 3

Circuitul combinaţional din figura următoare are hazard pe ieşire. Descrieţi acest circuit, folosind o instrucțiune assign, respectiv un proces always şi apoi simulaţi funcţionarea lui, pentru a evidenţia hazardul.

Explicaţie suplimentară

Când utilizați assign - semnalul trebuie declarat de tip wire.

Când utilizați always - semnalul trebuie declarat de tip reg.

Hazardul (comportament al circuitelor combinaţionale care nu este conform algebrei logice) se datorează timpilor de propagare prin porţile logice. Pentru a evidenţia acest fenomen, vom introduce timpii de propagare prin porţi cu sintaxa

Exerciţiul 4

Să se descrie în Verilog circuitul din figura 3 în două moduri:

• separând partea combinațională de cea secvențială (folosind 2 procese always)
• folosind un singur proces always

Exemplul 5

Să se descrie în Verilog un numărător complet (in, reset, load, enable, up/down, out). Simulați acest numărător. Considerați intrarile pe 4 biți.

Evidențiați formele de unda de pe iesirea numaratorului! Ce observați?

Exerciţiul 6

Simulați și comparați următoarele circuite (refolosiți un testbench din exemplul 7):

Circuitul 1:

  
always@(posedge clk) begin
    if (nReset == 0) begin
        b <= 0;
        c <= 0;
    end else begin
        b <= a;
        c <= b;
    end
end

Circuitul 2:

 
always@(posedge clk) begin
    if (nReset == 0) begin
        b = 0;
        c = 0;
    end else begin
        b = a;
        c = b;
    end
end

Observație: Pentru descrierea circuitelor sincrone cu ceasul se folosește întotdeauna atribuirea non-blocking <=.

Explicatii suplimentare

Mai mult, modalitatea in care se atribuie valori semnalelor este recomandata a fi de tip non-blocking (cu operatorul <=, care în acest context înseamnă săgeată spre stânga, adică “ia valoarea”, şi NU mai mic sau egal!!!), spre deosebire de procesele always ce descriu circuite pur combinationale si unde atribuirea de valori noi se face folosind doar atribuirea de tip blocking (cu operatorul =).

Iata diferenta intre tipul de atribuire blocking si cea non-blocking:

Spre deosebire de atribuirea blocking (=), atribuirea non-blocking (<=) nu actualizeaza imediat semnalul reg din stânga, ci doar la sfârşitul pasului de simulare curent.

Iata un exemplu: descrierea mai multor bistabili în procese diferite, folosind atribuirea blocking:

always @(posedge clock)
    b = a;
always @(posedge clock)
    c = b;

În acest caz particular, la sosirea unui front pozitiv al ceasului în simulare ambele procese sunt executate. Este însă imposibil de spus care va fi primul proces executat de simulator. Apar două cazuri posibile: Fie cele două procese sunt executate în ordinea în care au fost scrise. În acest caz, B va fi updatat primul şi noua valoare a lui B va fi folosită pentru a-l updata pe C. Deci B şi C vor avea aceeaşi valoare, mai exact valoarea A!

Fie cele două procese always vor fi executate în ordinea inversă. În acest caz, lui C i se va atribui vechea valoare a lui B, apoi B va fi updatat cu valoarea A.

Astfel, pot apărea diferenţe între rezultatele obţinute în urma simulării folosind tool-uri de simulare diferite, dar pot apărea diferenţe şi între rezultatele simulării descrierii RTL şi a simulării post-layout! Iata ce se intampla insa, daca implementam cei doi FFs folosind atribuiri non-blocking:

always @(posedge clock)
    b <= a;
always @(posedge clock)
    c <= b;

In acest caz, B şi C nu primesc valori noi decât după cele ambele atribuiri au fost executate, adică pe frontul pozitiv următor! Astfel, schema ce va fi simulată va fi identică cu cea generată în urma sintezei codului RTL.

Temă

1. Descrieți în Verilog și simulați un circuit de numărare folosind un bistabil cu intrare de Set asincronă cu ceasul şi activă pe palierul de 1 și intrare de Load sincronă cu ceasul, activă pe palierul de 1. Când Load este activ, numărătorul se încarcă cu o valoare Data_In.
2. Descrieți și simulați funcționarea unui registru de deplasare la stânga, folosind operatorul de shiftare <<, respectiv cel de concatenare {}.
3. Descrieți și simulați un registru de deplasare la stânga circular (MSB devine LSB).