Типичные уровни абстракции для цифровой системы. Уровень процессоров - памяти - коммутаторов (ППК)

1. Введение

В настоящее время одна микросхема может содержать сотни логических вентилей, поэтому очень важно правильно выбрать уровень представления подобной сложной системы. Ключом к решению этой проблемы является работа на соответствующем уровне абстракции, то есть уровень представления который дает всю информацию необходимую в данный момент времени, избавляя разработчика от необязательных деталей. Типичные уровни абстракции для цифровой системы можно представить в виде:

1. ППК;

2. микросхемный;

3. регистровый;

4. вентильный;

5. схемный;       

6. кремниевый.

Кремниевый уровень - в качестве базовых примитивов использует геометрические формы, которые представляют области диффузии поликремния и металлизации на поверхности кремниевого кристалла. Соединение этих форм имитирует процесс изготовления кристалла.

На схемном уровне проект формируется с использованием межсоединений традиционных пассивных и активных элементов электрической схемы (резисторов, конденсаторов, биполярных и МОП транзисторов). Соединения этих компонентов используется для моделирования поведения электронной схемы, выражаемого через значения напряжений и токов. Для описания объектов на этом уровне используются цифровые рациональные уравнения.

На вентильном уровне используется такие примитивы, как логические вентили И, ИЛИ, НЕ и различные типы триггеров. Соединение этих примитивов позволяет образовывать комбинационные и последовательные логические схемы.

На регистровом уровне базовыми примитивами являются такие компоненты, как регистры, счетчики, мультивибраторы и арифметико-логические устройства (АЛУ). Эти примитивы иногда называют функциональными блоками, а данный уровень иерархии - функциональным уровнем.

На микросхемном уровне в качестве структурных компонентов выступают микропроцессоры, устройства основной памяти, последовательные порты и контроллеры прерываний. При этом микросхемные примитивы не строятся иерархически из более простых примитивов, а представляют собой единые объекты - модели. (Например, если необходимо моделировать последовательный порт ввода - вывода, то соответствующую модель не строят путем соединения более простых функциональных моделей, таких блоков, как регистры и счетчики, а сам порт становиться базовой моделью). Модели данного типа важны для изготовителей комплексного оборудования, которые приобретают микросхемы у других фирм-изготовителей, но не знают их внутренней структуры уровня логических вентилей, поскольку это является обычно секретом фирмы.

Уровень процессоров - памяти - коммутаторов (ППК) является верхним уровнем иерархии структуры модели, который в качестве примитивов использует процессор, память и коммутатор (шипа). При описании на данном уровне используются такие показатели, как быстродействие процессора в миллионах команд в секунду (МИПСах) или пропускная способность тракта обработки данных (бит/с).

Абстрактное представление модели может относиться к одной из двух областей:

1.    Структурная – область, предусматривающая описание компонента, как совокупности взаимосвязанных компонентов более примитивного уровня.

2.    Поведенческая – эта область предусматривает описание компонента  по зависимости вход – выход при помощи некоторой процедуры.

Хотя язык VHDL и был первоначально связан с департаментом обороны США, он нашел свое применение в мирных целях. Было принято много мер, чтобы сделать VHDL доступным всем. В 1987 году в институте электроники и электротехники IEEE (Electrical and Electronical Engineers) был разработан первый стандарт языка VHDL. Последующие стандартизации проводились каждые 5 лет. Прислушиваясь к требованиям проектировщиков, различные группы экспертов много сделали, чтобы сделать язык более универсальным. В результате появилось много новых стандартов, которые поддерживают основной стандарт 1076 IEEE VHDL.

Когда интегральные микросхемы стали усложняться, появились две тенденции в их разработке:

1. Переход к более общим формам представления схем, например описание поведения системы.

2. Автоматизированное проектирование схем.

Существует несколько уровней описания систем: от кремниевого уровня (описание структуры кристалла ИМС) до комплексного описания системы. На различных уровнях проектирования системы могут быть представлены двумя способами: описание структуры системы и создание имитационной модели. Сейчас технология настолько сложная, что традиционные методы проектирования не охватывают весь спектр уровней проектирования. Средства автоматизации, которые возникли несколько лет назад, были ориентированы на самый низкий (кремниевый) уровень разработки.

2. Используемая схема

Рис. 1. Принципиальная схема модуля УМПК-48/МР1

 3. Моделирование элементов схемы

3.1 Микросхема К555КП11 (мультиплексор)

Микросхема К555КП11 содержит четыре одинаковых двухвходовых мультиплексора МSА—МSD. Микросхема передаёт на выходе код без инверсии.

На рис. 8 показана схема К555КП11, а на рис. 9 – его цоколёвка.

Рис. 8.  Внутренняя схема мультиплексора К555КП11.

Рис. 9. Цоколёвка мультиплексора К555КП11 (В скобках – обозначения портов описания на VHDL, сопоставленных выводам микросхемы).