4.3 Функціональне моделювання цифрових пристроїв
4.3.1 Постановка задачі
Як уже відзначалося, функціональне моделювання цифрових схем істотно відрізняється від аналогових, хоча тут і використовуються інформаційні моделі, але методи моделювання інші.
По ступеню деталізації (подробиці, точності) розрізняють функціональне моделювання на рівні системи команд, реєстрових передач, логічному (вентильному).
Рівень команд характеризується представленням пристрою у виді програмно – доступних функціональних вузлів: оперативної і кеш – пам'яті, АЛП, регістра команд, РЗП і т.д. Моделі цього рівня описують процеси виконання різних команд та фрагментів програм і використовуються для перевірки відповідності функціональної схеми (ФС) заданим принципам функціонування ПК і системі команд.
Рівень реєстрових передач – на ньому елементами моделей пристроїв є моделі регістрів і схем міжрегістрових передач. Перевіряється правильність реалізації заданих алгоритмів функціонування, часових діаграм без конкретизації схемної реалізації.
Як правило, рівні команд і реєстрових передач об'єднуються .
Логічний рівень характеризується використанням повних моделей, що складаються з моделей окремих логічних елементів (тригерів, елементів І-НІ, АБО-НІ і т.д.). Ці моделі можуть відображати виконання логічних функцій з урахуванням часових затримок.
Задачі функціонального моделювання: верифікація функціональних і принципових схем дискретних пристроїв, розробка й аналіз контролюючих і діагностуючих тестів.
Моделювання на рівні регістрових передач
При моделюванні цифрових систем ЦС на рівні регістрових передач КС описується в вигляді модулів (блоків), які зберігають та трансформують (опрацьовують) дані. Їх можна умовно розділити на блоки, що відносяться до тракту передачі і опрацювання даних (опе-раційний пристрій або інформаційний тракт), і пристрій керування (рис.4.2).
До операційного пристрою відносяться регістри для зберігання даних і блоки, що перетворюють дані (суматори, перемножувачі, компаратори, лічильники, АЛП і т. д.). До операційного пристрою можна віднести і оперативну пам'ять.
Вхід
Вихід
Пристрій
керування
Рисунок 4.2 - Структура пристрою, що моделюється
Пристрій керування забезпечує потрібну послідовність елементарних операцій (читання, запис і перезапис інформації, зсув інформації і т.п.). Такі операції прийнято називати мікроопераціями, або мікрокомандами. Звичайно в ЦС кожній мікрооперації відповідає власний ініціюючий сигнал.
Моделі компонентів ЦС представляються функціями, що ними виконуються, без розкриття внутрішньої структури, часу спрацьовування, затримок і т.п. Струми, напруги, пороги спрацьовування пристроїв, навантажувальні здібності не враховуються при моделюванні на регістровому рівні. Наприклад, моделлю тригера є елементарний пристрій, що зберігає один біт інформації, моделлю п - розрядного регістру - пристрій, що зберігає п біт інформації. Типи тригерів, що складають регістр, і спосіб побудови регістра не приймаються до уваги.
Модель пристрою керування (керуючого автомата), зазвичай
будується на основі оператора вибору GASE, використовуючи в якості ключа вибору варіанта змінну стану автомата в поточний момент часу. В середині кожного варіанта визначаються вихідні сигнали, які формуються в відповідності до вхідних, і перехід до наступного стану автомата.
Сигнали моделюються рядками, що складаються з нулів і одиниць. Ці рядки відповідають станові регістрів, лічильників, шин передачі інформації.
Робота ЦС проходить по тактах. У кожнім такті роботи пристрій керування формує сигнали, що ініціюють виконання деяких дій в операційному пристрої. Як правило, ЦС працює по програмі, що зберігається в пам'яті, і виконувані в кожен конкретний момент часу дії визначаються поточною командою програми. Реалізація кожної команди програми здійснюється за декілька синхротактів, протягом яких виконується необхідна сукупність мікрооперацій. У кожної ПК набір мікрооперацій точно визначений, кількість їх у реальних ПК складає від декількох десятків до декількох сотень.
Викладені принципи роботи ЦС реалізуються в програмах моделювання на реєстровому рівні. Робота моделюючої програми протікає по синхротактах, усередині кожного з яких виконується одна або кілька мікрооперацій.
Таким чином, моделювання ЦС на рівні реєстрових передач полягає в покомандній імітації виконання машинної програми, записаної в пам'яті цієї ЦС, і аналізі перетворень інформації, представленої у двійковій формі, що циркулює між функціональними пристроями. Машинна програма, що моделюються, записана на рівні машинних команд, відіграє роль вхідних даних для моделюючої програми. Керування роботою моделюючої програми здійснюється за допомогою директив.