Measurements, Models, Systems and Design

531 s.

Use of control unit properties in CPLD systems

W artykule przedstawiono metodę syntezy mikroprogramowalnego układu sterującego z użyciem wbudowanych bloków pamięci, która jest ukierunkowana na zmniejszenie rozmiaru układu sterującego poprzez zastosowanie transformacji kodów klas pseudorównoważnych w pamięci. Podejście takie pozwala uzyskać uproszczoną formę funkcji przejścia części adresowej układu, dzięki któremu możliwa jest redukcja zasobów sprzętowych potrzebnych do implementacji jednostki sterującej w układach programowalnych typu CPLD bez zmniejszenia wydajności systemu cyfrowego.A method for decreasing the number of programmable array logic (PAL) macrocells in a logic circuit of the Moore finite-state-machine (FSM) is proposed. Programmable logic devices are nowadays widely used for implementation of control units (CU). The problem of CU optimization is still actual in computer science and its solution enables reduce the cost of the system. This method is based on use of free outputs of embedded memory blocks to represent the code of the class of pseudoequivalent states. The proposed approach allows minimizing the hardware without decreasing the digital system performance. An example of application of the proposed method is given. A control unit of any digital system can be implemented as the Moore FSM. Recent achievements in semiconductor technology have resulted in development of such sophisticated VLSI chips as field-programmable logic arrays (FPGA) and complex programmable logic devices (CPLD). Very often CPLD are used to implement complex controllers. In CPLD, logic functions are implemented using programmable array logic macrocells. One of the issues of the day is decrease in the number of PAL macrocells required for implementation of the FSM logic circuit. A proper state assignment can be used to solve this problem. The peculiarities of Moore FSM are existence of pseudoequivalent states and dependence of microoperations only on FSM internal states. The peculiarity of CPLD is a wide fan-in of PAL macrocell. It allows using different sources for representation of a current state code

Reduction of a microprogrammable Moore automaton logic circuit with encoding the sets of output variables

W artykule została przedstawiona metoda syntezy mikroprogramowanego automatu Moore'a implementowanego w układach nano-PLA. Metoda ta jest ukierunkowana na redukcję zasobów sprzętowych, potrzebnych do implementacji automatu Moore'a. Jest ona oparta na przedstawieniu następnego kodu stanu jako konkatenacji kodu klasy zbioru wyjściowych zmiennych i kodu wierzchołka. Takie podejście pozwala wyeliminować zależność między stanami i wyjściowymi zmiennymi, a także zmniejszyć liczbę linii w tabeli przejść automatu Moore'a do odpowiedniej liczby linii w równoważnym automacie Mealy’ego.The model of a microprogrammable Moore automaton is often used during the digital control systems realization [1 – 3]. The development of microelectronics has led to appearance of different programmable logic devices [7, 8] which are used for implementing micro-programmable automaton (MPA) logic circuits. One of the important problems of Moore MPA synthesis is the decrease of chip space occupied by the MPA logic circuit. The methods of solution of this problem depend strongly on logic elements used for implementing the MPA logic circuit [2 – 4]. In this paper we discuss the case when nanoelectronic programmable logic arrays (PLA) are used for implementing the Moore MPA logic circuit. The proposed method is based on representation of the next state code as a concatenation of code for the class of collection of output variables and code of the vertex (Fig. 2). In this method the classes of the pseudoequivalent states are used [1, 9]. Such an approach allows reducing the number of rows of the Moore MPA structure table up to the value of the equivalent Mealy MPA. As a result the area of the matrices generating input memory functions is optimized

Optymalizacja jednostki kontrolnej bazująca na budowie układów CPLD

The method of hardware reduction dedicated for a compositional microprogram control unit implemented in CPLD is proposed. The method is based on using more than one source of microinstruction address. Such an approach enables decreasing the number of logic blocks used for implementation of the controller in the target CPLD. The paper presents the conditions required to use the method and a calculation example of its application.W artykule przedstawiona została metoda zmniejszenia powierzchni sterowników sprzętowych realizowanych w układach typu CPLD. Wprowadzono modyfikacje w strukturze sterownika, modyfikacje których głównym zadaniem jest redukcja liczby wykorzystanych elementów logicznych podczas implementacji sterownika w układach CPLD. Zaprezentowana została bazowa metodologia projektowa, dla której wprowadzono odpowiednie modyfikacje. Modyfikacje, które pozwalają zmniejszyć liczbę potrzebnych elementów logicznych wykorzystanych przy implementacji realizowanego sterownika. Przedstawione modyfikacje bazują na wykorzystaniu więcej niż jednego źródła danych przy wyznaczaniu kolejnego adresu mikroinstrukcji. W artykule przedstawiony został schemat logiczny dla zmodyfikowanej struktury sterownika. Zaprezentowano i omówiono warunki potrzebne do zastosowania zaprezentowanej metody oraz podano odpowiednie przykłady obliczeniowe. W artykule przedstawione zostały wyniki oraz wnioski z badań przeprowadzonych przez autorów

EMB-based synthesis of Moore FSM

W artykule zostanie przedstawiona metoda umożliwiająca syntezę skończonego automatu stanów typu Moore’a z wbudowanym blokiem pamięci (ang. Embedded Memory Blocks, EMB) w strukturach programowalnych typu FPGA (ang. Field Programmable Gate Array, FPGA). Zaproponowana metoda bazuje na kodowaniu pewnej wybranej części zbioru warunków logicznych przez dodatkowe zmienne. W artykule zostanie zaprezentowany przykład projektowania układu.The model of the Moore finite state machine (FSM) is very often used for representing a control unit [1]. Nowadays, two classes of programmable logic devices: complex programmable logic devices (CPLD) and field-programmable gate arrays (FPGA) are used for implementing logic circuits of FSMs [2, 3]. This paper deals with FPGA-based Moore FSMs. It is very important to use EMBs in the logic design. It leads to decreasing in both the number of interconnections and chip area occupied by an FSM logic circuit. In turn, it results in decrease in the propagation time as well as the consumed power of a circuit [9]. A lot of methods for implementing an FSM logic circuit with RAMs are known [10 – 19]. For rather complex FSMs, the method of replacement of logical conditions [20] is used. In this case, optimization efforts target hardware reduction for the multiplexer executing the replacement. In this paper we propose a method based on existence of pseudoequivalent states of the Moore FSM for solving this problem [21]. The method is based on replacement of some part of the set of logical conditions by additional variables. It results in diminishing the number of LUTs in the multiplexer used for replacement of logical conditions. To represent a control algorithm, the language of graph-schemes of algorithms [20] is used. An example of application of the proposed design method is given

Optymalizacja macierzowego układu skończonego automatu stanu typu Moore'a

The method for reduction of the area of matrix implementation of the Moore finite state machine (FSM) circuit is proposed. The method is based on optimal state coding and decomposition of a matrix in two sub-matrices. Thus, classes of the pseudoequivalent states are used. Such approach allows reducing number of lines of the Moore FSM transition table to that of the equivalent Mealy FSM. As a result, the area of the matrices forming the excitation function of a states memory register is optimized. An example of the proposed method application is given.Model skończonego automatu stanu typu Moore'a jest często stosowany w jednostkach sterujących [1]. Postęp technologii półprzewodnikowej pozwala na tworzenie coraz bardziej złożonych układów cyfrowych. W przypadku produkcji masowej szeroko stosowane są układy ASIC (ang. Application-Specified Integrated Circuits). W układach ASIC automaty skończone są projektowane przy użyciu struktur macierzowych (rys. 1). Jednym z głównych problemów syntezy automatów skończonych ze strukturami macierzowymi jest zmniejszenie powierzchni układu scalonego zajmowanej przez układ logiczny automatu Moore'a. W artykule proponowana jest metoda, która jest ukierunkowana na redukcję zasobów sprzętowych potrzebnych do implementacji skończonego automatu stanu typu Moore'a implementowanego w układach o strukturze macierzowej. Ta metoda jest oparta na optymalnym kodowaniu stanów i rozbijaniu macierzy termów na dwie podmacierze (rys. 2). Takie podejście pozwala zmniejszyć liczbę linii w tabeli przejść automatu Moore'a do liczby linii równoważnej automatowi z wyjściami typu Mealy'ego (tab. 2). Artykuł przedstawia także przykład zastosowania proponowanej metody

Optimization of a logic circuit of the microprogrammed Moore machine with use of nano-PLA

W artykule została przedstawiona metoda syntezy mikroprogramowanego automatu Moore'a implementowanego w układach nano-PLA. Metoda jest ukierunkowana na redukcję zasobów sprzętowych, potrzebnych do implementacji automatu Moore’a. Jest ona oparta na optymalnym kodowaniu stanów i rozbijaniu matrycy termów na dwie części. Takie podejście pozwala zmniejszyć liczbę linii w tablice przejść automatu Moore’a do odpowiedniej liczby linii w równoważnym automacie z wyjściami typu Mealy’ego.The model of the microprogrammable Moore automaton [6] is often used during the digital control systems realization [1, 4]. The development of microelectronics has led to appearance of different programmable logic devices [13, 15, 18], which are used for implementing microprogrammable automaton (MPA) logic circuits. One of the important problems of MPA synthesis is the decrease in the chip space occupied by MPA logic circuit. Solution of this problem allows decreasing the power consumption and increasing the clock rate. The methods of solution of this problem depend strongly on logic elements used for implementing the MPA logic circuit [2, 3, 13, 15]. In this paper we discuss the case when nanoelectronic programmable logic arrays (PLA) are used for implementing Moore MPA logic circuit. The approach is connected with optimal state encoding and decomposition of a matrix of terms in two sub-matrices (Fig. 2). To do it, the classes of the pseudoequivalent states are used [1, 4]. Such an approach allows reducing the number of rows of the structure table of Moore MPA up to this value of the equivalent Mealy MPA. As a result the area of the matrices generating input memory functions is optimized. The example of application of the proposed methods is given

The encoding of POLC classes in microprogram control units

W artykule przedstawiono rezultaty syntezy sześciu struktur układów mikroprogramowanych (CMCU), które wykorzystują koncepcję podziału zbioru łańcuchów operacyjnych na klasy łańcuchów pseudorównoważnych (POLC). Przedstawione w pracy struktury układów mikroprogramowanych są przeznaczone przede wszystkim do zastosowania w układach FPGA. Część kombinacyjna układu mikroprogramowanego jest realizowana z użyciem tablic LUT, natomiast pamięć sterująca jest implementowana z użyciem osadzonych bloków pamięci. Badania przeprowadzono dla czterech popularnych kodowań stanów: kodowania binarnego, kodowania one-hot, kodowania Gray'a oraz kodowania Johnson'a.The paper presents new synthesis results of six structures of a compositional microprogram control unit (CMCU) targeted mainly at FGPAs. The structure of CMCU consist of two main parts: a control memory and an addressing circuit. The control memory stores microinstructions which are sent to the data path. The addressing circuit is responsible for selecting a microinstruction from the control memory. The addressing part of the CMCU is implemented using LUT tables, while the control memory is implemented using embedded memory blocks (EMB). Partitioning the set of operational linear chains (OLC) into pseudoeqivalent classes of chains (POLC) is used in all structures to reduce the size of the CMCU addressing part. The codes of POLCs are stored in the control memory by extending the microinstruction format or by inserting additional control microinstructions (Figs. 2, 3 and 4). The CMCU structures were tested using linear graph-schemes of the algorithm (see Tab. 1). The synthesis was made in Xilinx ISE and Altera Quartus for FPGA and CPLD devices. The synthesis results (Figs. 5 and 6) show that the size of the combinational part for the tested CMCU structures can be reduced by 20% to 50% depending on the CMCU structure (when compared to the base structure - average results). The results also show that the natural binary encoding and Gray's encoding are best for POLC classes. Both encodings give the smallest size of the addressing part and require less control memory space

Synthesis method for CMCU with extended microinstruction format

W artykule przedstawiono metodę syntezy mikroprogramowanego układu sterującego ze wspólną pamięcią i rozszerzonym formatem mikroinstrukcji. Metoda jest zorientowana na zmniejszenie rozmiaru układu adresowego poprzez umieszczenie kodów klas łańcuchów pseudorównoważnych w pamięci sterującej. Uzyskuje się w ten sposób uproszczenie funkcji przejść części adresowej układu, co przekłada się na redukcję zasobów sprzętowych potrzebnych do implementacji jednostki sterującej w układach programowalnych typu CPLD i FPGA. W artykule zamieszczono wprowadzenie teoretyczne, przykład zastosowanie metody oraz wyniki badań uzyskane podczas syntezy testowych sieci działań przy użyciu oprogramowania Xilinx ISE 10.2 dla układów Xilinx Virtex II. Na postawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że dla liniowych sieci działań uzyskuje się średnią redukcję rozmiaru układu na poziomie około 50% w porównaniu do podstawowego wariantu mikroprogramowanego układu sterującego.The paper presents a new synthesis method of Compositional Microprogram Control Unit (CMCU) with Common Memory and Extended Microinstructions for programmable logic devices such as CPLD and FPGA. Programmable logic devices are nowadays widely used for implementation of Control Units (CU) [3]. The problem of optimization of CU is still actual in computer science and it solution allows decreasing the cost of the system [2]. The proposed method is oriented on reduction of CMCU addressing circuit hardware by placing pseudoequivalent class codes in the control memory. These classes are formed by division of the set of Operational Linear Chains (OLC) into partitions which correspond to pseudoequivalent states of Moore FSM [2]. When class codes are stored in the control memory, the transition function is simplified and the addressing circuit hardware amount is reduced compared with the CMCU base structure. The method can be applied when control algorithm to be implemented is linear i.e. the number of operational vertices exceeds the 75% of total number of vertices of Graph Scheme of Algorithm (GSA) to be implemented. The research results show that use of the method for tested GSAs gives on average 50% decrease in hardware amount in comparison with CMCU base structure (Tab. 4). The results were obtained in Xilinx ISE. The CMCU models were generated by our software and described in VHDL

Compositional microprogram control unit with code sharing and control microinstructions

W artykule przedstawiona została metoda syntezy umożliwiająca zmniejszenie liczby tablic LUT potrzebnych do realizacji układu mikroprogramowanego z współdzieleniem kodów. Metoda jest przeznaczona dla układów FPGA z osadzonymi blokami pamięci. Część kombinacyjna układu mikroprogramowanego jest realizowana z użyciem tablic LUT, natomiast pamięć sterująca z użyciem osadzonych bloków pamięci. Redukcję liczby tablic LUT osiągnięto dzięki wykorzystaniu klas łańcuchów pseudorównoważnych. W artykule przedstawiono przykład zastosowania proponowanej metody oraz rezultaty eksperymentów.The paper presents new research results of synthesis of Composi-tional Microprogram Control Unit (CMCU) with Codes Sharing. The method allows reduction of look-up table elements in the combina-tional part of the control unit. The method assumes application of field-programmable gate arrays for implementation of the combinational part, whereas embedded-memory blocks are used for implementation of its control memory. Programmable logic devices are nowadays widely used for implementation of Control Units (CU) [16, 18]. The problem of the CU optimisation is still actual in computer science and it solution permits to decrease the cost of the system [17]. The proposed method is oriented on reduction of hardware amount of CMCU addressing circuit by placing codes of classes of pseudoequivalent states in the control memory. These classes are formed by division of the set of Operational Linear Chains (OLC) into partitions which correspond to pseudoequivalent states of Moore FSM [4]. The research results show that application of the method to tested control algorithms gives on average 50% decrease in hardware amount when compared to CMCU based structure (Tab. 2). The results were obtained using Xilinx ISE. The models of control units were generated by the authors' software using the control algorithms from [15]