Was ist VHDL? V: very high speed integrated circuit HDL hardware description language. mächtige HW-Beschreibungssprache. Wozu hat man VHDL entwickelt?

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1 Was ist VHDL? V: very high speed integrated circuit HDL hardware description language mächtige HW-Beschreibungssprache Wozu hat man VHDL entwickelt? weitere HDLs? - HW beschreiben, beschleunigen - Simulation von Systemen - Fehlerminimierung - Schaltungssynthese - Funktionsbeschreibung - physikalische Umsetzung - Verilog (seit 1980, von Cadence aufgekauft) - Verilog-AMS (analog/mixed signal design) - System-C (Modellierung höherer Abstraktionsebenen RTL Register Transfer Level) Gründe für Entwicklung von HDLs? - Komplexität (verdoppelt sich alle 18 Monate) - time to market - höhere Produktivität - Kostensenkung - Militär Auf welchen Abstraktionsebenen kann man Schaltungen entwerfen? Applikations- Funktionsebene Funktionen u.a. von HW oder Software Systemebene Funktionale Beschreibung von Systemebenen Algorithmische Ebene Beschreibung des Verhaltens durch Prozesse, VAR, OP,. kein HW-Bezug Register Transfer Ebene Beschreibung des Datentransfers über Operatoren (ADD, MUX,.) Logikebene (Beschreibung über logische Elemente) Strukurelle + geometrische Schaltkreiselemente (strukturell, geometrisch, Verhalten) Erste mögliche Ebene zur automatischen Synthese? RTL (Register Transfer Level, am gebräuchlichsten)

2 Welche VHDL Design UNITS gibt es? - Package - Entity - Architecture - Configuration Package in VHDL? - Quasi Bibliothek - Zusammenfassung von Anweisungen zur Wiederverwendung in mehreren Design Units BSP: LIBRARY ieee; use ieee.std_logic.. ENTITY und ARCHITECTURE in VHDL - ENTITY - Quasi Interface - definiert E/A BSP: ENTITIY xxxx is ( ); end xxxx; - ARCHITECTURE - Funktionsbeschreibung einer Entity - Quasi Inhalt einer Entity - Verhaltens- und/oder Strukturbeschreibung möglich BSP: ARCHITECTURE yyyy of xxxx is begin equals.. end CONFIGURATION in VHDL - Anbindung (binding) einer Architektur an eine Entity - eine Entity kann mehrere Architekturen haben BSP: CONFIGURATION xxxx of yyyy is Prozedur, Sensitivity List in VHDL? - Prozedur Sequenzielle Verhaltensbeschreibung einer Architekture - Sensitivity List Prozedur ist sensitiv auf Signale in der Liste die Prozedur wird immer bei Signaländerungen ausgeführt

3 Was ist eine Testbench in VHDL? - historisch: Verifikation nach Implementierung - VHDL Simulationen erlauben Echt-Zeit-Interaktion - Testbench - Modell zur Korrektheitsprüfung eines VHDL-Designs - Fütterung des Designs mit Eingangswerten - Vergleich der Ausgänge mit erwarteten Resultaten - Post-Layout oder Post-Fit Verifikation ebenfalls möglich Was sind Hazards? Welche gibt es? - Laufzeitverzögerungen (delay) - Rückkoppelungen - im Bezug auf Mealy: Speicherzeiten viel größer als Laufzeiten im Schaltnetzwerk - Quelle und Senke der Signalwege sind identisch - Races (mehrere Ausgangsleitungen betroffen, siehe RS-FF) - Spikes (unerwünscht auftretende Pulse durch verschiedene Laufzeiten etc.) Unterschied funktionale strukturelle Darstellung? - funktionale: Details, alles genau beschrieben - strukturelle: Blackbox, allgemeiner Überblick (z.b. Struktur von µp, aber keine genauen Bauteil?-Details) Unterschied funktionale Modelle Verhaltensmodelle? - funktionale Modelle - klar ersichtlicher Aufbau und Beschreibung, Design beschreibbar - Verhaltensmodell - aus Verhalten zu Funktionsbeschreibung - Verhalten oft beliebig kompliziert - Design schwierig zu entwerfen BSP: Roboter, durch funktionales Modell gut erklärbar, durch Verhaltensmodell schlecht Was ist eine charakteristische Gleichung? - definieren den Typ von FF - stellen die Basis für die Berechnung von Schaltwerken dar - spiegeln ausschließlich das logische Verhalten dar (keine Laufzeiten, fan-in/out, Technologie, berücksichtigt!)

4 Vergleich Automat zur komplexen Schaltungstheorie? - Automat reiner mathematischer Formalismus - komplexe Schaltungstheorie - nicht komplett mathematisch zu beschreiben (zu umfangreich, Bsp: µc) - komplexe Beschreibungsmethoden und daraus das Optimum finden (oft auch durch Erfahrung) Was sind die Nachteile des Bottom-Up-Entwurfes? von Wurzel ausgehend; gefährlich, da oft der Überblick vernebelt wird Was ist die Aufgabe eines Mikroprogrammsteuerwerkes? Das Mikroprogrammsteuerwerk hat, wie ausführlich dargestellt, die Aufgabe der Ansteuerung aller Register, Multiplexer, interner und externer Speicherbausteine, interner und externer Ports usw., kurz die Steuerung aller elektronischer Komponenten der Prozesssteuereinheit eines Computers. Vor- / Nachteile bei Verwendung eines zusätzlichen Registers beim Mikroprogrammsteuerwerk? Wesentlicher Unterschied zwischen Schaltnetz und Schaltwerk? Schaltnetz: - rein logisches Modell Schaltwerk: - logisches, zeitabhängiges Modell - zeitunabhängig Welche Technologien werden bei der Programmierung von ASICs eingesetzt? Top Down keine Strukturen, sondern Funktionen gefordert, die der Baustein erfüllen soll

5 Wie funktioniert die Floating Gate Technologie und worin liegt der Vorteil gegenüber der FUSE- Technologie? Der schwerwiegende Nachteil der Fuse-Technologie, die nur einmalige Programmierung, wird bei der Floating-Gate-Technologie vermieden. Verbindungen mittels UV oder elektrisch löschbar. Was ist ein ASIC und wofür steht die Abkürzung? ASIC: application specific integrated circuit kundenspezifischer IC Ist folgender Automat (Blockschaltbild gegeben) ein Mealy- oder Moore-Automat? (Mealy: wenn Ausgang ist direkt von Eingang abhängig) Aus welchen 2 hauptsächlichen Blöcken besteht ein komplexes Schaltwerk? Schaltbild aufzeichnen, in dem beide vorkommen (inkl. Signale) und Signale zwischen diesen beiden Blöcken benennen Wofür steht ein X in einer Übergangstabelle? Was bedeutet es, wenn es bei den Eingangsvariablen steht? X don t care Therme, 0 oder 1 hat keine Auswirkung Was ist schlecht an einer Gliederung Einführung - HW - SW? Einführung Funktionen HW SW -. Funktionen beschreiben/erklären/diskutieren, die das System erfüllen soll

6 Welches Problem kann bei der Elimination von redundanten Zuständen auftreten? Zustandsdiagramme beinhalten oft redundante (äquivalente) Zustände (Knoten mit gleichen Ein- und Ausgangsvektoren sowie dem gleichen Folgezustand), die zu eliminieren sind. Problem: Redundante Zustände sind nicht vorhanden Was versteht man unter flacher Schaltungsentwicklung? Unter der flachen Schaltungsentwicklung soll verstanden werden, Schaltungen über Symbole und Verbindungsleitungen auf dem Papier oder Bildschirm zu entwerfen. Nicht zu vermeiden ist diese Methode, wenn man sich in der Modellierungsphase befindet, das heißt, Funktionsmodule definiert, die zu einer Einheit zusammengefasst werden. Vermeiden sollte man sie, wenn es sich um schaltungstechnische Details handelt. Welche Laufzeiteffekte gibt es bei asynchronen Schaltungen (nur benennen)? Laufzeiteffekte (Races): erwünschte, unerwünschte, critical, noncritical für Hazards: statische, dynamische, kombinatorische, essential Hazard RS-FF: Aufbau mit Gattern und charakteristische Gleichung

7 Wie kann man das Steuerwerk eines komplexen Schaltwerks optimieren? Vor- und Nachteil wenn komplexes Schaltwerk viele verschiedene Mikrobefehle kann? Welche 2 grundsätzlich verschiedene Typen von ASICs gibt es? CPLD: complex programmable logic device FPGA: field programmable gate arrays Was ist die Kanonische Konjunktive bzw. Kanonische Disjunktive Normalform? Beispiel für Konjunktive und Disjunktive Normalform aufschreiben? Wesentlicher Unterschied zwischen Mealy und Moore? Mealy VT: NT: Moore VT: NT: alle Schaltungen zu realisieren a = f(e, ) direkte Störungsabhängigkeit a f(e,..) Hardwareaufwand (i.a. höher) Entwurf komplizierter

8 Technologien bei programmierbaren Bausteinen - Fuse Technologie - Antifuse Technologie - Floating Gate Technologie - SRAM Technologie

9 Was sind Min/Max-Terme? Welche Vor- Nachteile hat ein Nanospeicher? Nimmt man an, dass sich in einem Mikroprogramm Mikrobefehle laufend wiederholen, bietet es sich an, sie in einem gesonderten Speicher, dem Sekundärspeicher, abzulegen und sie entsprechend dem gewünschten Programmablaufwunsch über den Hauptspeicher abzurufen. Die Programmierung des Hauptspeichers ist für die Programmbefehlsfolge verantwortlich, da in ihm nur noch die Nummern der Mikrobefehle sequentiell abgelegt werden. Hierarchisch gesehen steht somit der Hauptspeicher über dem Sekundärspeicher, in dem die einzelnen Mikrobefehle enthalten sind. Da der Hauptspeicher in der "Mikroebene" liegt, wird der Sekundärspeicher auch Nanospeicher genannt. VT: NT: enorme Platzersparnis Durchlaufzeiterhöhung (Speicherzugriffszeit erhöht sich) zusätzlicher Speicher zu integrieren Was ist die Fuse Technologie? Die Fuse-Technologie ist die älteste, bei der Zuleitungen von Dioden oder Transistoren, die nur wenige Mikrometer stark sind, als Verbindungspunkte verwendet werden, die durch Stromstöße derart zerstört werden können, dass sie keine elektrische Verbindung mehr zwischen den Polen aufweisen.

10 Die einzelnen Teile des Operationswerks, Steuerwerks erklären

11 Warum soll man den Takt nie "vergattern" Laufzeiten nicht beeinflussen Unterschied zwischen Semi Custom IC, Gate Array, PLD Synchrones vs. Asynchrones Schaltwerk Gegenüberstellung Custom IC und diskreter Aufbau (so wie in der einen Tabelle) Die einzelnen Hierarchien in denen man eine Schaltung beschreiben kann und wie man das in den jeweiligen macht. Was sind die Vorteile von ASICs? Was beschreibt die Wahrheitstabelle eines FlipFlops und was nicht?