Jak se píše procesor - 3 (Procesy)

26. 8. 2005 | Luděk Crha | Programování | 7715×

Minule jsme navrhli jednoduchou ALU a ukázali si, jak ji odsimulovat. Dnešní článek bude o procesech.

Prozatím lze všechny příkazy, které jsme si ukazovali, zařadit mezi tzv. souběžné příkazy - všechny se provádí najednou bez ohledu na pořadí. V obvodové realizaci to ukazuje na paralelní obvody. Pomocí procesu můžeme použít příkazy sekvenční, kde naopak pořadí příkazů hraje důležitou roli. Proces sám o sobě je jeden souběžný příkaz.

Sekvenční zpracování příkazů v procesu se řídí následujícími pravidly:

1. Pokud jednomu signálu přiřazujeme různé hodnoty, předchozí příkazy jsou přepsány posledním z nich.
2. Pokud signál využíváme jako vstup i výstup, jeho hodnota se mění až po ukončení procesu

Proces můžeme také chápat jako myšlenkovou přípravu na vytvoření signálů. Nejlepší bude ukázat si činnost procesu na příkladu. Předpokládejme dvě různé architektury k entitě example_1 (deklaraci entity neuvádím), která má pouze jeden výstupní signál O:

ARCHITECTURE arch_1 OF example_1 IS
BEGIN
   O <= '1';
   O <= '0';
END arch_1;

ARCHITECTURE arch_2 OF example_1 IS
BEGIN
   p_1: process 
   begin
      O <= '1';
      O <= '0';
   end process;
END arch_2;

V prvním případě se snažíme do výstupního signálu O napojit současně dvě hodnoty - log. '1' a log. '0'. To by mohlo mít v reálném obvodu katastrofální následky. Pokud například uvažujeme logiku, kde log. '1' znamená připojení na +5V a log. '0' připojení na zem, zapisujeme tímto kódem zkrat. Ve druhém případě se ale příkazy zpracovávají sekvenčně. Druhý přiřazovací příkaz "přebije" první a na výstupu O bude '0';

V procesu není možné použít souběžný příkaz when, místo něj můžeme aplikovat sekvenční příkaz if. Uvažujme příklad z minulého dílu, kde jsme vytvořili multiplexor pomocí příkazu

O <= I1 when A = '0' else I2

V procesu by vypadal zápis tohoto multiplexoru následovně:

p_1: process (I1, I2, A)
begin
   if A = '0' then
      O <= I1;
   else
      O <= I2;
   end if;
end process;

Zaměřme se nyní více na syntaxi procesu. Před klíčovým slovem process je návěští, v našem případě p_1. To je důležité pro případnou identifikaci procesu v průběhu simulace nebo syntézy. Za klíčovým slovem process je tzv. sensitivity list. V něm říkáme simulátoru, kdy má proces spustit a obnovit hodnoty výstupních signálů. Tento výpočet provede simulátor právě při změně libovolného signálu obsaženého v sensitivity listu. V praxi to znamená, že do sensitivity listu je třeba zapsat všechny signály, které do procesu vstupují. V našem případě jsou to signály I1, I2 a A.

Vezměme nyní následující proces:

p_1: process (I1, I2, A)
begin
   O <= I2;
   if A = '0' then
      O <= I1;
   end if;
end process;

Tento zápis je zcela identický s předchozím procesem. Nejdříve do výstupního signálu O přiřazujeme signál I2, ale v případě, že je hodnota signálu A '0', dostane se ke slovu přiřazovací příkaz O <= I1. Výsledek je tedy opět stejný multiplexor.

Jak psát design

Nyní uděláme malou odbočku k tomu, jakým způsobem psát design. Budeme hovořit o synchronním designu, tzn. v obvodu se vyskytuje jediný hodinový signál clk. Dnešním standardem je jasně rozdělit design na registry (paměťové prvky, realizovatelné např. klopným obvodem D) a kombinační logiku (prvky AND, OR, NOT...) bez cyklů. Registry jsou všechny taktovány na stejnou (např. náběžnou) hranu clk. V okamžiku této náběžné hrany se přepíše signál ze vstupu registru na výstup. Následuje cesta signálu přes kombinační logiku, než dorazí na vstup dalšího registru. Jakmile všechny signály projdou přes logiku a ustálí se, může přijít další náběžná hrana hodin a celý proces se opakuje.

Z toho vyplývá i maximální frekvence hodin. Jejich perioda musí být minimálně taková, aby se signál ustálil i na nejdelší cestě v celém obvodu. Pokud tedy taktujeme např. procesor na 1600 MHz, znamená to, že nejdelší cestou (mezi dvěma registry spojenými pouze logikou) v jeho designu projde signál za méně než 0,625 nanosekundy.

Podívejme se nyní na následující proces:

p_1: process (I1, I2, A)
begin
   if A = '0' then
      O <= I1;
   end if;
end process;

Pokud má signál A hodnotu '0', bude na výstupu I1. Co ale když bude A '1'? To potom znamená zachovat na výstupu aktuální hodnotu. A zde se dostáváme k jádru problému. K zachování hodnoty potřebujeme paměťový prvek. V tomto konkrétním případě bude tvořen zpětnou vazbou, např. takto:

A právě tato zpětná vazba (latch) není přípustná. Proč je vlastně zpětná vazba v logice problém? Např. může zmást syntezátor při počítání délky cesty v obvodu. Obvod potom může fungovat, ale také nemusí (což většinou nastane v nejméně vhodnou dobu).

Jaký z toho plyne závěr? V příkazu if (pokud proces netvoří registr, ukážeme si příště) je třeba vždy pokrýt všechny stavy vstupních signálů pro výstupní signály. Jinými slovy, každý výstupní signál musí mít jasně definovanou hodnotu pouze v závislosti na vstupních signálech. Podobný problém může nastat i u souběžného signálu when - tam je také vhodné vždy uvádět klauzuli else.

       

Komentáře

[Robert]

Nemate neco s obrazkama, 1. a 3. nelze zobrazit (FF ani IE)?

[Robert Krátký]

Mohl bys prosím upřesnit, co znamená "nelze zobrazit"? Právě jsem vyzkoušel jak FF, tak IE a v obou to bylo bez problému... Co se stane, když zkusíš zobrazit tohle: http://www.abclinuxu.cz/images/clanky/crha/vhdl3-latch.png?

[Robert]

No prave ze se nezobrazi nic. Je to divny. Prostredni obrazek bez problemu, misto 1. a 3. prazdne ramecky.

[Robert Krátký]

No, a ten uváděný odkaz také nezobrazí nic?

[Robert]

Vubec nic. Je divne ze jeden obrazek je v poradku a dalsi 2 se nezobrazi.