Digital System Design

1. Digital System Design 2006. 3. 이숙윤(uni7@vada1.skku.ac.kr)

2. 60 ~ 70 년대 80 년대 90 년대-현재 설계 방법 Transistor Level Bottom Up Gate Level (Top Down + Bottom Up) Algorithm, Function Level Top Down 설계 도구 Layout Editor Schematic Editor HDL Synthesizer 설계 범위 1K Gate 이하 Gate, Counter, MUX 10K ~ 100K uprocessor 100K 이상 고성능 프로세서 VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language) • 설계환경의 변화

3. D Q CK CD VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language) • VHDL 설계 Flow HDL 설계 IF (CD = ‘1’) THEN Q <= ‘0’; ELSE IF (CLK ’event and CLK = ‘1’) THEN Q <= D; END IF ; Synthesis Structural Description Placement & Routing

4. VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language) • VHDL의 등장배경 • Gate Count 및 디자인의의 복잡성 증가 • 설계자 간의 정보 공유를 위한 표준화된 언어의 필요성 대두 • Top-down 설계의 필요성 대두 • 설계의 유지보존을 위한 문서화 필요 • 표준화된 HDL의 요구

5. VHDL(Very High Speed IC Hardware Description Language) • VHDL의 표현방법 • 동작적 모델링(Behavioral Modeling) • Functional or Algorithm Description • High Level Language Program 과 유사 • 문서화를 위해서 우수 • 입력상태에 대한 출력결과만을 고려한 기술방법. • 시스템이 내부적으로 어떠한 하드웨어적인 구조를 가지는지에 상관없고, 오로 지 진리표 등으로 표현된 것을 기능적 또는 수학적인 알고리즘을 사용하여 시스 템을 동작하는 기술. • 데이터플로우 모델링(Dataflow Modeling) • Behavioral Description보다 한 단계 낮은 Level • Boolean Function, RTL, 또는 연산자 (AND, OR) 표현 • 구조적 모델링(Structural Modeling) • 가장 하드웨어적 표현에 가까움 • 구성요소 및 연결까지 표현

6. VHDL 개요 • VHDL의 구성 • Package • Entity • 설계의 입출력 • 반드시 entity이름이 file이름이 된다. • Architecture • 설계의 실제 내용 • 한 설계에는 다수의 package와 entity, architecture가 존재 • Configuration • 다수의 architecture를 갖는 entity가 있을 경우 그 연결관계 를 설정. • 실제로 configuration의 사용은 VHDL의 합성 후 post-simulation 혹은 gate-simulation과정에서 많이 이용된다.

7. x t1 sel mout selb y t2 mux x mout y sel VHDL 개요 • Entity선언 entity mux is Begin port ( x, y, sel : in std_logic; mout : out std_logic); end mux; • Architecture body 선언 : 회로의 동작상태와 내부의 선 연결상태를 기술 architecture name of entity_name is signal selb, t1, t2: std_logic; Begin selb <= not sel; t1 <= x and sel; t2 <= y and selb; mout <= t1 or t2; end ex1;

8. VHDL 개요 • Signal mode : signal의 입출력상태를 표시 • in : 입력 • out : 출력 • inout: 입출력 가능 • buffer: 한 회로의 출력이면서 다른 회로의 입력으로 작용할 때 • Signal Type • 1bit signal : std_logic • 2bit이상의 signal: std_logic_vector • std_logic_vector(1 downto 0) • std_logic_vector(0 to 3) input out buffer inout

9. VHDL 개요 • 객체(Object) • 값을 가질 수 있는 어떤 변수(객체)를 선언하는 방법 • signal, variable, constant 3가지 • Signal : 선으로 구현될 수 있는 외적변수 • signal set, clear, D: std_logic; • set <= ‘1’; clear < = ‘0’; D <= set; • 병렬구문에서 사용(concurrent Statement) • variable: 중간 매개 변수, 선으로 구현되지 않는 내적변수 • variable val: integer; • val := ‘1’; • 순차구문(Sequential Statement) • constant: 변경가능성이 많은 상수를 저장할 때 사용되는 변수 • constant delay : time := 10ns

10. VHDL 개요 • 연산자(Operator) • Logical 연산자 • and, or, nand, not, xor, nxor • Shift 연산자 • sll(shift left logic), srl(shift right logic) • sla(shift left arithmetic), sra(shift right arithmetic) • rol(rotate left logic), ror(rotate left logic) • 관계 연산자 • =, /=, <, <=, >, >=

11. VHDL 개요 • 병렬구문(Concurrent Statement) & 순차구문(Sequential Statement)

12. VHDL 개요 • 병렬구문(Concurrent Statement) • 어떤 회로에 대한 동시적인 회로상태의 변화. • 표현문장의 순서에 상관없이 똑같이 우선순위. • Simulation을 하면 첫 번째 줄의 쓰여진 동작 표현이나 마지막 줄에 쓰여진 동작표현이나 같은 시간에 simulation 될 수 있다. • 순차구문(Sequential Statement) • 일반적인 로직의 순차적 상태를 기술할 수 있는 문장. • 반듯이 앞의 문장이 진행되어야 뒤에 문장이 진행된다. • Concurrent 문의 Subprogram과 process문장에서 사용된다.

13. VHDL 개요 • 병렬구문(Concurrent Statement) & 순차구문(Sequential Statement) Architecture ex of entiry is signal my_signal : std_logic_vector(3 DOWNTO 0); begin PROCESS(...) BEGIN My_signal <= "0000"; My_signal(3) <= '1'; My_signal(1) <= '1'; END PROCESS; End ex; Architecture ex of entity is signal my_signal : std_logic_vector(3 DOWNTO 0); Begin My_signal <= "0000"; My_signal(3) <= '1'; My_signal(1) <= '1'; End ex;

14. VHDL 개요 • Behavioral Representation • 설계하려는 하드웨어의 구조와 관계없이 시스템의 동작을 알고리즘 레 벨에서 표헌. • Process나 subprogram내에서 사용된다. • 차례대로 수행되는 문장. • Wait, signal할당문, assert문, exit문, if문, loop문, next문 등… architecture ex5 of mux is begin process (sel, x, y) begin if sel = '1' then mout <= x; else mout <= y; end if; end process; end ex5; entity mux is port (x, y, sel: in BIT; mout: out BIT); end mux; mux x mout y sel

15. z0 s0 1-out-of-4 decoder z1 z2 s1 z3 enable VHDL 개요 • Behavioral Representation : Decoder begin process (s, enable) if (enable=‘1’) then if (s=“00”) then z <= “0001”; elsif (s=“01”') then z <= “0010”; elsif (s=“10”') then z <= “0100”; else z<=“1000”; end if; else z<=“0000”; end if; end process;

16. VHDL 개요 • Behavioral Representation : D FF entity D_FF is port(DIN, clk, rstnn: in BIT; DOUT: out BIT); end D_FF; architecture behavior of D_FF is begin process (rstnn, clk) begin if (rstnn=‘0’) then DOUT <= ‘0’; elsif clk=‘1’ and clk’event then DOUT <= DIN; end if; end process; end behavior; D-FF DIN DOUT clk rstnn

17. VHDL 개요 • Behavioral Representation : Process문 • 하드웨어 시스템 모듈은 서로간에 병행적으로 수행되므로 시스템의 동작으로 표현하기 위해서는 Concurrent문을 사용. • 모듈의 내부는 순차적으로 이루어지므로 Sequential 문을 사용. • Process문 자체는 Concurrent문이므로 여러 개의 Process문이 있으면 이들은 서로 병행적으로 수행. • 하나의 Process문 내부는 하나씩 수행되는 Sequential문으로 표현. Process [(Sensitivity_list)] {선언문} Begin {Sequential문} End process [process_Lable]

18. VHDL 개요 • Behavioral Representation : Process문 – Sensitivity List • 보통 모든 input signal들을 sensitivity list에 포함 • Sensitivity list내의 signal중에서 적어도 하나의 값이 변화해야 process문 이 시작한다. • D-FF 형태의 process인 경우 reset 과 clock만 input signal에 포함 • Output signal이 sensitivity list에 포함되는 경우에는 infinite loop 이 발생 할 수가 있다. begin process (a) a<= not a; end process;

19. VHDL 개요 • Behavioral Representation : IF Statement • Example: entity OR2 is port (a,b : in std_logic; y : out std_logic); end OR2; architecture EX1 of OR2 is begin process (a,b) begin if a=‘1’ or b=‘1’ then y<=‘1’; else y<=‘0’; end if; end process; end EX1; • If_statement if boolean_expression then sequential_statements [ elsif boolean_expression then sequential_statements ] [ else sequential_statements ] end if;

20. VHDL 개요 • Behavioral Representation : IF Statement architecture EX2 of OR2 is begin process (a,b) begin if a=‘1’then y<=‘1’; elsif b=‘1’ then y<=‘1’; else y<=‘0’; end if; end process; end EX2; architecture EX3 of OR2 is begin process (a,b) begin y <=‘0’; if a=‘1’ or b=‘1’ then y<=‘1’; end if; end process; end EX3;

21. VHDL 개요 • Behavioral Representation : CASE Statement case expression is when choices => sequential_statements [ when choices => sequential_statements ] [ when others => sequential_statements ] end case; type OP_CODE is (ADD, SUB, MULT, DIV); variable instruction : OP_CODE; case instruction is when ADD => y <=a+b; when SUM => y<=a-b; when MULT => y<=a*b; when DIV => y<=a/b; when others => y<=(others => ‘0’); end case;

22. VHDL 개요 • Dataflow Representation • Behavioral 과 Structure 표현의 중간단계로서 데이터흐름을 나타내듯이 시스템의 기능을 나타낸다. • 주로 연산자, 함수 등으로 표현한다. • VHDL구문 중에서 주로 concurrent signal 할당문으로 기술한다. architecture sample of Or2 is begin process (x, y) begin O1 <= I1 or I2 after 5 ns; end process; end ex5; architecture sample of Or2 is begin O1 <= I1 or I2 after 5 ns; end ex5;

23. VHDL 개요 • Dataflow Representation – Conditional Concurrent Signal • 여러 불 조건을 검사하여 참이면 해당하는 파형을 할당하는 문장. • 조건을 예측할 수 없는 경우에 사용한다.(if) architecture sample of Or2 is begin Signal 이름 <= 파형1 when조건1 else 파형2 when조건2 else . 파형 n; End sample; • Dataflow Representation – Selected Concurrent Signal • 수식의 최종값과 선택의 값이 일치하는 경우 해당하는 파형을 지정. (case) architecture sample of Or2 is begin With 수식 select Signal 이름 <= 파형1 when선택1, 파형2 when선택2, . 파형 n when 선택n; End sample;

24. VHDL 개요 • Dataflow Representation – conditional assignment and selected assignment * 4*1 MUX 의 modeling library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity mux4_1 is port (in0, in1, in2, in3 : in std_logic ; sel : in std_logic_vector(1 downto 0); y : out std_logic); end mux4_1; entity문은conditional , selected동일

25. VHDL 개요 • Structural modeling • Definition • Pure structural modeling describes entity in terms of its sub-components and how these are connected. • It is, in effect, a hierarchical arrangement of interconnected components structural modeling steps component declaration component identifier_name [ generic (local_generic_list) ;] [ port (local_port_list)] ;end component ; component instantiation label: component_declaration_name [ generic map (association_list) ;] [ port map (association_list) ;]

26. VHDL 개요 • Structural modeling - Example entity half_add is port (x, y: in std_logic; co, so: out std_logic); end half_add; architecture behav of half_add is component and_2 port (a, b: in std_logic; c: out std_logic); end component; component xor_2 port (a, b: in std_logic; c: out std_logic); end component; Begin u1: xor_2 port map ( a=>x, b=>y, c=>so); -- named association u2: and_2 port map ( x, y, co); -- positional association end behav ;

27. 디지털 시스템 • 전가산기(Full Adder) 설계 : Behavioral Modeling • 반가산기(Half Adder) • 1비트의 2개 2진수를 더하는 논리회로. • 2개의 입력과 출력으로 구성. • 2개 입력은 피연산수 x와 연산수 y 이고, 출력은 두 수를 합한 결과인 합 S(sum)과 올림수 C(carry)를 발생하는 회로.

28. 디지털 시스템 • 전가산기(Full Adder) 설계 : Behavioral Modeling • 전가산기(Full Adder) • 하위비트에서 발생한 올림수를 포함하여 3개의 입력 비트들의 합을 구하는 조 합논리회로. • 3개의 입력과 2개의 출력으로 구성됨. • 3개 입력은 피연산수 x와 연산수 y, 그리고 하위 비트에서 발생한 올림수 Ci 가 • 되고, 출력변수는 출력의 합 S(sum)과 올림수C(carry)를 발생하는 회로.

29. 디지털 시스템 • 전가산기(Full Adder) 설계 : Structural Modeling

30. 디지털 시스템 • 조합회로 : 4 Bit 리플 캐리 가산기(4 Bit Ripple Carry Adder) • 4비트 이진수를 입력 받아 4비트 덧셈결과를 출력. • Ex) Xilinx ISE와 Modelsim를 이용하여 합성하고, 검증하시오. (Structure Modeling)

31. 디지털 시스템 • 조합회로 : 8 Bit 가산기(8 Bit Full Adder) • M비트 이진수를 입력 받아 M비트 덧셈결과를 출력. • Overflow 고려 설계 ( 111(7) + 110(6) = 1101(13)) • Ex) Xilinx ISE와 Modelsim를 이용하여 합성하고, 검증하시오. (Structure Modeling)

32. 디지털 시스템 • 조합회로 : 1Bit 비교기(1 Bit Comparator) • 두 입력이 서로 같은지 또는 다른지를 비교하여 알려주는 회로. • 1비트 비교기는 두 입력이 같으면 ‘1’을 출력하고, 다르면 ‘0’을 출력하는 회로. • Ex) ISE와 Modelsim을 이용하여 설계하고 검증하시오.(Behavioral Modeling)

33. 디지털 시스템 • 조합회로 : 4Bit 비교기(4 Bit Comparator) • 두 입력이 같으면 EQ=‘1’, AGB=‘0’, ALB=‘0’을 출력. • A값이 B값보다 크면 AGB=‘1’, EQ=ALB=‘0’을 출력. • A값이 B값보다 작으면 ALB=‘1’, EQ=AGB=‘1’을 출력. • Ex) ISE와 Modelsim을 이용하여 설계하고 검증하시오.(Behavioral Modeling)

34. 디지털 시스템 • 조합회로 : 3X8 Decoder • 부호화된 정보를 복호화하는 데 사용 • N bit 2진 code => 2n개 서로 다른 정보 • 입력이 3개인 신호에 따라서 0,1,2,3,4,5,6,7이라는 8개의 출력이 있으며, 1개만 활성화가 된다.

35. 디지털 시스템 • 조합회로 : 3X8 Decoder • ISE와 Modelsim을 이용하여 설계하고 검증하시오. • 1. 아래의 회로도를 보고 Dataflow형태로 설계하시오. • 2. Behavioral Modeling을 이용하여 설계하시오. (case문을 사용하고, Enable로 제어하는 부분 추가)

36. 디지털 시스템 • 조합회로 : Encoder • Decoder의 역(inverse) 산술을 수행. • 2n개 이하의 입력선과 n개의 출력선. • 입력신호를 특정한 코드로 변환하는 회로.

37. 디지털 시스템 • 조합회로 : Encoder • ISE와 Modelsim을 이용하여 설계하고 검증하시오. • 1. 아래의 회로도를 보고 Dataflow형태로 설계하시오. • 2. Behavioral Modeling을 이용하여 설계하시오. (case문을 사용하고, Enable로 제어하는 부분 추가)

38. 디지털 시스템 • 순차회로 : 현재 출력은 현재의 입력과 기억소자에 기억된 과거 출력들과 의 조합에 의해 결정. 이전출력의 현재 입력이라는 시간적인 개념이 도입. • 순차 논리는 조합논리와 클럭에 의해 구동되는 메모리 소자(주로 flip/flop) 로 구성 • 플립플롭은 정보의 저장 또는 기억회로, 계수회로, 및 데이터 정보 전송 회 로에 많이 사용되며, 동작특성에 따라 RS, D, JK, T플립플롭으로 나누어 진 다.

39. 디지털 시스템 • 플립플롭의 동작은 신호의 level에서 동작하느냐 Edge에서 동작하느냐에 따라 비동기형 플립플롭(Latch)와 동기형 플립플롭으로 나눈다. 우리가 이 야기하는 플립플롭은 동기형 플립플롭을 말한다. • Clock 구문의 VHDL정의 • Clock 동기회로 설계를 위한 구문. • Process문 내부에서 if-then –else 구문과 함께 사용. • Rising, Falling Edge를 선택. • 동일 Process내에서는 단일 Clock, 단일 Edge만 사용. • (signal’event and signal=‘1’)  rising edge. • (signal’event and signal=‘0’)  rising edge.

40. 디지털 시스템 • 순차회로 : D FF • 클럭의 상승 모서리 또는 하강 모서리에서 동작한다. • D라는 한 개의 데이터 입력을 가지며, D입력에 가해진 데이터는 클럭신호에 의하여 출력으로 그대로 전달된다. • D FF는 데이터를 잠깐 간직하는 Register 등과 빠른 속도의 용량이 작은 메모 리등에 많이 이용된다.

41. 디지털 시스템 • 순차회로 : 8Bit Register • 래치와 플립플롭은 1비트의 정보를 저장.. • 래지스터는 2비트 이상의 정보를 제어신호에 의하여 기억하는 소자. • 이러한 레지스터로서 널리 사용되는 것이 D 플립플롭이다.  D 플립플롭은 데이터를 저장했다가, 데이터의 변화없이 출력하기 때문.

42. 디지털 시스템 • 계수기(Counter) • 일정한 출력순서를 반복적으로 발생시키는 회로. • 과거의 값을 저장하는 레지스터와 과거의 값을 증가하는 덧셈기로 구성. • 일반적은 계수기는 1씩 증가하는 계수기를 말한다. • 계수기의 입력펄스와 출력값을 적절히 이용하면 사용자가 원하는 주파수를 갖는 디지털 주파수 발생기를 설계할 수 있다.

43. 디지털 시스템 • 레지스터를 이용한 비동기 리셋 카운터 설계 • 클럭의 상승 에지에서 Reg8 회로의 논리값이 발생하고, 발생된 논리값은 피 드백이 된다. • 피드백 논리 값은 +1이 증가되어 Reg8의 입력 값으로 입력되어 클럭의 상승 에지를 기다리는 대기상태가 된다.

44. 디지털 시스템 • Up-Down Counter Logic 설계 • 제어신호에 의하여 클럭 입력에 맞추어 카운터가 증가하거나 또는 감소하는 카운터를 업다운 카운터라고 한다. • 아래의 블록도에서 보면, MUX에 의해 Register8에서 출력되는 논리값의 피드 백 값이 +1이 증가된 값과 -1이 감소된 값 중에서 하나를 선택하도록 되어있 다.

45. 디지털 시스템 • Counter with Enable Logic 설계 • 클럭신호의 상승 에지에서 EN 신호의 논리값이 ‘1’일때는 카운터로 동작하며, ‘0’일때는 현재의 값을 그대로 유지하는 동작을 수행.

46. 디지털 시스템 • 비동기 계수기(Asynchronous Counter) • 아래의 그림에서와 같이 비동기 계수기는 각 계수기 Cnt#에 입력되는 클럭신 호가 다르다.이런 비동기 계수기는 대체적으로 회로가 간단하지만, 속도는 늦 다. • 최초 CLK0은 1MHz를 입력시켜 10분주된 100KHz(CLK1)을 발생시키고, CLK1을 입력받아 다시 10분주된 10KHz(CLK2) 를 발생시킨다.

47. 디지털 시스템 • 동기 계수기(synchronous Counter) • 아래의 그림에서와 같이 동기 계수기는 각 계수기 Cnt#에 입력되는 클럭신 호가 모두 동일하다. 이런 비동기 계수기는 대체적으로 회로가 복잡하지만, 속도는 빠르다. • 각각 입력되는 클럭을 이용하여 10분주 100분주, 1000분주되는 신호를 생성 할 수 있다.

48. 디지털 시스템 • ROM(Read Only Memory) 설계 • 상수형태로 저장된 데이터를 주소값을 변화시켜 단지 읽을 수만 있는 메모리 • ROM Size = 주소개수 * 데이터 비트수 • CE : ROM의 칩 선택 여부를 나타내고 active-low동작 • OE : 읽은 데이터를 외부로 출력하는 여부를 지정하고 active-low동작. • ROM VHDL표현 : 2차원 array type 선언. • 8 * 5 의 2차원 array VHDL표현 • Subtype ROM_Word is std_logic_vector(4 downto 0); : 한 개의 주소에 저장되는 데이터의 크기 • Type ROM_Table is array(0 to 7) of ROM_Word; : 8개의 ROM_word로 구성되는 array 구조 • ROM에 기억되는 데이터는 상수형태 : 미리선언. • Constant ROM_DATA : ROM_Table := ROM_Table’( “10101”, “10111”,“00101”,“10111”, “00001”,“10001”,“01001”,“10111”); • ROM의 주소는 Std_logic_vector의 데이터 타입을 사용하지만 2차원 array선언은 integer로 선언되어야 하므로 형변환이 필요. : conv_integer(Address)함수 사용.

49. 디지털 시스템 • RAM(Random Access Memory) 설계 • 주소지정으로 기억되어 있는 데이터를 읽어내는 기능과 외부에서 입력되는 데 • 이터를 저장하는 메모리. • RAM Size = 주소개수 * 데이터 비트수 • CE : RAM의 칩 선택 여부를 나타내고 active-low동작 • RD : 읽기 동작을 요구하고 active-low동작. • WR : 쓰기 동작을 요구하고 active-low동작. • Read operation : CE=‘0’, RD=‘0’, WR=‘1’ • Write operation : CE=‘0’, RD=‘1’, WR=‘0’ • Synchronous RAM?

50. 디지털 시스템 • FSM(Finite State Machine) 설계 • 디지털 회로의 상태 변화를 나타내는 방법. • Example) Coffee Vending Machine • 전원이 인가되면 “00”상태로 존재. • “00” 상태에서 동전이 들어오면(Coin_in=‘1’) “01” 상태로 천이, 그렇지 않으면 (coin_In=‘0’) “00” 상태에 계속 존재. • “01” 상태에서 coffee가 선택이 되면(coffee_sel=‘1’) “10” 상태로 천이, 그렇지 않 으면(coffee_sel=‘0’) “01” 상태로 계속 존재. • “10” 상태에서 coffee를 제공했으면(coffee_serve=‘1’) “00”상태로 천이, 그렇지 않으며(coffee_serve=‘0’) “10”상태로 계속 존재. • Reset이 인가될 때 상태천이?