Introduzione. 1.1 Evoluzione della progettazione dei sistemi digitali

Transcript

1 1 Introduzione 1.1 Evoluzione della progettazione dei sistemi digitali I primi sistemi digitali intesi come sistemi di elaborazione basati su tecnologie elettriche o elettromeccaniche e operanti su informazione presentata in forma numerica (discreta) piuttosto che analogica possono essere fatti risalire alla seconda metà del secolo XIX, con le macchine tabulatrici sviluppate da Hollerith per elaborare i dati di un censimento; la diffusione più ampia di tali sistemi, però, si è vista solo nella seconda metà del secolo XX, grazie alle tecnologie elettroniche. Più precisamente, i sistemi digitali hanno visto estendersi il numero e la rilevanza dei settori di applicazione a partire dagli anni Settanta. Se la rivoluzione digitale è stata resa possibile dallo sviluppo delle tecnologie microelettroniche e in particolare della tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) è però ben vero che la stessa rivoluzione avrebbe avuto portata molto minore, se non fossero stati disponibili metodi e strumenti di progettazione capaci di supportare il progetto di sistemi di elevatissima complessità, nonché la verifica della validità di tale progetto e la ricerca dei guasti nel sistema realizzato. Dallo spunto iniziale, la possibilità di sintetizzare un qualsiasi sistema digitale, comunque complesso, utilizzando un insieme di pochissimi componenti-base ( componenti universali ) e applicando un numero relativamente ridotto di regole rigorose di sintesi e ottimizzazione, si è sviluppato un approccio molto articolato che consente al progettista di affrontare il problema in modo sistematico, servendosi nelle varie fasi di strumenti di progettazione assistita dal calcolatore (i cosiddetti CAD tool,dove CAD sta per Computer Aided Design) e facendo ampio uso di blocchi preprogettati e ottimizzati con i quali costruire il proprio sistema. Tutto ciò permette di progettare in tempi ridotti e con costi accettabili sistemi molto complessi, e di continuare quindi a estendere i confini della famosa rivoluzione. È quindi ragionevole affrontare il problema della progettazione dei sistemi digitali in termini essenzialmente informatici (come si farà in questo libro) piuttosto che elettronici: la fase di progetto e ottimizzazione elettronica, volta a costruire i blocchi elementari già citati, può essere di fatto separata da quella di progetto di sistema, e al progettista di quest ultimo non si chiedono conoscenze di dettaglio in campo elettronico. Chiaramente, una sia pur modesta conoscenza delle caratteristiche e del comportamento dei dispositivi elettronici è, se non del tutto indispensabile, certamente molto utile per comprendere aspetti di fattibilità, particolari limiti di applicazione, motivazioni sottostanti la scelta di specifiche cifre di merito, e così via. La progettazione di un sistema digitale inizia così da una specifica funzionale che descrive comportamento e interfaccia di ingresso-uscita del sistema, per giungere attraverso una successione di passi di sintesi e ottimizzazione fino ad arrivare alla trasposizione (mapping) su una specifica tecnologia microelettronica, secondo un tipico approccio dall alto verso il basso (top-down). Fra i vantaggi di una metodologia come questa, non ultima è la possibilità di trasportare uno stesso progetto di sistema attraverso tecnologie differenti, cosa certamente non possibile se il progetto venisse affrontato immediatamente al livello di astrazione più basso.

2 1.2 Flusso di progettazione dei sistemi digitali Attualmente, parlando di sistemi di grande complessità (non necessariamente digitali o anche più generalmente elettronici) si fa spesso riferimento al concetto di livello di astrazione. Un livello di astrazione può essere visto come correlato, da un lato, all informazione riguardante la realizzazione fisica (o implementazione) del sistema (quanto più alto è il livello di astrazione a cui si descrive un sistema, tanto più i dettagli relativi l implementazione risultano nascosti) e, dall altro lato, all informazione che definisce le funzionalità e il comportamento del sistema come questi vengono visti dall utente finale (il quale di norma ben comprende una descrizione in termini generali del comportamento del sistema, mentre non riuscirebbe ad astrarla da una descrizione in termini di componenti elettronici!). Si pensi per esempio a un sistema complesso di grandissima diffusione quale la centralina elettronica per il controllo di un auto: al massimo livello di astrazione, si vuole sapere semplicemente come la centralina gestirà il controllo dell iniezione piuttosto che quello dell ABS, in risposta alle diverse condizioni di funzionamento e agli stimoli esterni, indipendentemente dalla tecnologia di realizzazione. A un livello di astrazione più basso, si vuole definire l architettura della centralina, tipicamente, in termini di una struttura costituita da microprocessori, memorie, circuiti digitali progettati ad-hoc, interconnessioni fra i diversi blocchi ecc. Se ci si fermasse alla descrizione della struttura hardware, una buona parte della conoscenza riguardante il comportamento verrebbe a mancare, dato che tale comportamento dipenderebbe dal software eseguito dai microprocessori. A livelli di astrazione ancora più bassi, non risulta più possibile riconoscere microprocessori o circuiti specifici, ma si vedrebbero solo un gran numero di componenti digitali elementari (le cosiddette porte logiche ) collegati fra loro; al livello minimo possibile, esaminando con un microscopio di grande potenza il circuito integrato, non vedremmo che schemi geometrici che compongono le cosiddette maschere di integrazione realizzate sul substrato di silicio. Il progetto di un sistema digitale può essere affrontato a diversi livelli di astrazione: da quello più elevato di sistema a quello più basso quello di porta logica (i livelli sottostanti sono propri piuttosto dell elettronica). Idealmente, si può considerare un completo flusso di progettazione di tipo top-down che può essere rappresentato schematicamente come in Figura 1.1: Livelli di astrazione Compiti di progetto Livello comportamentale Specifica di sistema Livello registrounità funzionale Progetto architetturale Livello logico Progetto logico Livello geometrico Disegno delle maschere Produzione Figura 1.1 Flusso di progettazione dei sistemi digitali.

3 Una descrizione di questo tipo è del tutto indipendente dall insieme di strumenti di progettazione assistita da calcolatore che si utilizzano; in effetti, è addirittura indipendente dal fatto che tali strumenti vengano utilizzati oppure no. Il committente del progetto fornisce delle specifiche del sistema da progettare sia in termini funzionali (che cosa il sistema deve fare e qual è la sua interfaccia con l esterno) sia in termini non funzionali (i vincoli temporali, i limiti al consumo di potenza ecc.). Quello che egli descrive è essenzialmente il comportamento del sistema, unitamente ai vincoli non funzionali. Dalle specifiche funzionali, il progettista digitale deduce uno schema ad alto livello che definisce l architettura in termini di unità funzionali collegate fra loro mediante percorsi di dati e segnali di controllo; anche in questo caso e a seconda della natura del sistema possiamo in realtà distinguere più livelli di dettaglio: per esempio, dal livello microprocessore memorie unità di collegamento col mondo esterno verso una descrizione in termini di unità aritmetiche contatori memorie elementari. Lo schema architetturale che si ottiene al livello di maggior dettaglio (minore astrazione) ora accennato viene spesso indicato con il termine schema RTL (Register Transfer Level). Dalla descrizione formale RTL si deriva tipicamente, sulla base di vincoli non funzionali, (quali tempo di elaborazione, area, costo ecc.) il progetto logico, che fornisce una rete di porte logiche o di altri componenti di comparabile complessità opportunamente interconnessi: si noti che a questo livello si è persa ogni visibilità, non solo del comportamento, ma anche delle funzionalità svolte e del flusso di controllo. A ogni passaggio da un livello di astrazione più elevato a uno inferiore corrisponde una fase di sintesi, che nel più tradizionale progetto manuale è compiuta dal progettista senza il supporto di strumenti informatici: una sintesi non è solo una trasformazione da un livello a un altro, ma comporta anche un aggiunta di informazione. Si può anche vedere un passo di sintesi come la trasformazione da una specifica (iniziale o intermedia) a un implementazione (completa o intermedia). Si consideri per esempio il passaggio da uno schema RTL, costituito da registri, unità funzionali e strutture di interconnessione, a uno schema a livello di porta logica: lo schema iniziale fornisce una descrizione dell architettura del sistema, e da tale specifica si deduce, mediante la sintesi logica, una struttura logica. Nel corso del passaggio si compiono delle scelte (per esempio, la forma logica scelta, la famiglia di porte logiche, le fasi di ottimizzazione e di conseguenza le relative scelte di merito) che corrispondono ad altrettanti incrementi d informazione. Nelle fasi di sintesi si può ricorrere a strumenti di sintesi automatica, che realizzano il passo richiesto applicando opportuni criteri di ottimizzazione; oggi si tende a non esigere uno strumento di sintesi monolitico, che dalle specifiche comportamentali produca le maschere di integrazione, senza alcun intervento del progettista, ma si preferisce piuttosto prevedere un interazione col progettista stesso che, da un livello all altro, può scegliere fra diversi stili di progetto, differenti cifre di merito rispetto alle quali ottimizzare, diversi vincoli non funzionali da introdurre. Al termine di ogni passo di sintesi si presenta evidentemente la necessità di verificare che il risultato della sintesi il progetto, sia pure parziale, così ottenuto sia congruente con la specifica a partire dalla quale la sintesi è stata effettuata. Se il progetto ha complessità sia pure limitata, una verifica manuale affidata alla buona volontà e all intuito del progettista è del tutto insufficiente. Attualmente, la verifica della correttezza e della completezza delle diverse descrizioni del sistema ottenute ai diversi livelli di astrazione viene compiuta mediante successive fasi di simulazione, utilizzando strumenti di CAD che simulino il funzionamento del sistema (ai diversi livelli di astrazione: funzionale, logico, elettrico) in risposta a opportuni insiemi di stimoli d ingresso (vettori d ingresso). Analizzando i risultati della simulazione, il progettista verifica se questi coincidono con i valori attesi e quindi se il risultato della sintesi è corretto. La simulazione può fornire informazioni di vario tipo: per esempio, riferendosi al livello di porta logica, si può fare una simulazione logica, considerando che tutti i componenti siano ideali e introducano ritardo nullo (in questo caso i risultati ottenuti riguardano solo i valori logici delle uscite, a prescindere dall influenza dei ritardi) oppure si possono introdurre anche le caratteristiche temporali dei componenti e dei segnali e ottenere quindi anche un analisi temporale dei risultati. La parte del flusso di progettazione rilevata in grigio nella Figura 1.1, considerando le attività supportate da tool CAD, si modifica come viene indicato in Figura 1.2.

4 Definizione iniziale dell architettura Descrizione in un linguaggio formale Simulazione ad alto livello Floorplanning Sintesi logica Analisi statica delle temporizzazioni Simulazione logica Librerie di modelli dei componenti Asserzioni temporali Layout guidato delle temporizzazioni Parametri elettrici Analisi statica delle temporizzazioni Verifica tecnologica post-layout Processo di produzione Figura 1.2 Flusso di progettazione e verifica. La simulazione, come si evidenzia in Figura 1.2, richiede la disponibilità di librerie di modelli cui il progettista possa fare riferimento e che vengono richiamate dai programmi di simulazione; in esse sono registrati i modelli dei componenti che il progettista può utilizzare per la simulazione, modelli che forniscono al simulatore l insieme di informazioni necessarie (dal comportamento funzionale a quello logico, elettrico, temporale ecc., a seconda del livello di astrazione cui ci si riferisce e delle informazioni che si vogliono estrarre dalla simulazione). Le stesse librerie vengono di fatto adottate anche durante la sintesi, sebbene l informazione utilizzata in questo caso sia in genere più ridotta. Al programma di simulazione si forniscono in ingresso: la descrizione del sistema da simulare, in un opportuno linguaggio per la descrizione di hardware (HDL Hardware Description Language); la libreria di modelli; i vettori di ingresso. All uscita si ricavano le risposte in termini di livelli logici e le forme d onda dei segnali, eventualmente le temporizzazioni e altri parametri. Si identifica subito il principale problema della verifica per simulazione, e cioè la necessità di determinare un insieme di vettori di ingresso sufficiente a garantire la correttezza del progetto o più propriamente la rispondenza del progetto alle specifiche. A meno che il sistema non sia molto piccolo, una simulazione esaustiva (che valuti cioè le risposte a tutti i possibili vettori d ingresso) è ovviamente improponibile in termini di tempo di calcolo; peraltro, è pressoché impossibile

5 garantire che il sottoinsieme di vettori d ingresso effettivamente adottato sia sufficiente a coprire tutte le situazioni possibili e quindi a fornire la richiesta garanzia. In genere, il progettista deve identificare sulla base della propria esperienza l insieme di situazioni che giudica più critiche ai fini della sollecitazione del sistema; alcuni ben noti casi di circuiti digitali anche di notevole diffusione che hanno mostrato una volta già inseriti sul mercato di essere afflitti da errori di progetto, sono dovuti proprio a una fase di verifica basata su simulazione che non aveva sollecitato tutti i possibili percorsi di attivazione presenti all interno del sistema. Oltre ai diversi livelli di astrazione che si sono finora citati, è possibile che il progettista affronti il sistema digitale partendo da differenti viste: queste sono state schematizzate molto utilmente da Gajski 1 nel cosiddetto diagramma a Y, mostrato in Figura 1.3. Viste e livelli sono ortogonali fra di loro: la vista comportamentale (behavioral) descrive le funzioni indipendentemente dalla implementazione; la vista strutturale descrive il modello come interconnessione di componenti; la vista fisica riguarda gli oggetti fisici di un progetto (es., i transistori). Modelli di sistemi digitali a diversi livelli possono essere osservati sotto diverse viste. Per esempio, a livello architetturale la vista comportamentale di un circuito indica l insieme di operazioni compiute e le dipendenze fra di esse; la vista strutturale precisa invece l interconnessione dei principali blocchi funzionali (unità funzionali, registri ecc.) che compongono il sistema. A livello logico, invece, la vista comportamentale di un circuito per l addizione di due numeri binari è data dalla tabella che descrive l addizione, mentre la vista strutturale dello stesso circuito consiste nella interconnessione di porte logiche secondo uno schema che realizza l addizione. Vista comportamentale Vista strutturale Livello architetturale Livello logico Livello geometrico Vista fisica Figura 1.3 Diagramma a Y delle viste della progettazione digitale. La sintesi può ora essere considerata come un insieme di trasformazioni fra due viste assiali. Così, la sintesi a livello architetturale genera una vista strutturale di un modello a livello architetturale; si assegnano le funzioni del circuito a operatori strutturali (risorse), determinandone le interconnessioni insieme alla temporizzazione dell esecuzione delle operazioni. (Questa fase è detta in genere sintesi ad alto livello). La sintesi a livello logico genera poi una vista strutturale di un modello a livello logico, determinando la struttura del circuito costituito da porte logiche. Infine, la sintesi geometrica è il progetto fisico del circuito: tipicamente, nel caso dei circuiti microelettronici produce il layout del circuito stesso. Rifacendosi allo schema di Figura 1.3, un percorso di sintesi può essere schematizzato come in Figura D. Gajski, N. Dutt, A. Wu e S. Lin, High-Level Synthesis: Introduction to Chip and System Design, Kluwer Academic Press, 1992.

6 A livello architetturale e a livello logico, la sintesi si muove da una vista comportamentale a una strutturale, mentre a livello geometrico ci si muove dalla vista strutturale (lo schema delle porte logiche) alla vista fisica (il layout). Il ricorso a strumenti automatici di simulazione e di sintesi rende evidente l indispensabilità di un linguaggio formale per la descrizione dei circuiti digitali: in effetti, un formalismo rigoroso risulta utile anche indipendentemente dalle attività di CAD per esempio, per garantire che un circuito anche di grande complessità sia accompagnato da una documentazione completa che resti leggibile e comprensibile a un gruppo di progetto che può cambiare nel tempo o a utenti del progetto stesso che vogliano integrare il circuito in un proprio sistema più complesso. Vista comportamentale Livello architetturale Livello logico Livello geometrico Vista strutturale Vista fisica Figura 1.4 Percorso di sintesi sul diagramma a Y. La definizione di linguaggi per la descrizione di hardware ha coinvolto gli studiosi del settore oramai da diversi decenni: si sono distinte due diverse tendenze estendere un linguaggio di programmazione esistente, in modo da supportare le esigenze del progetto hardware, oppure introdurre un linguaggio specifico (sia pure allineato con le caratteristiche dei linguaggi di programmazione recenti) di cui le esigenze della progettazione hardware siano le principali linee guida. Un esempio della prima tendenza è stato Hardware-C, definito presso l Università di Stanford; più recentemente è stato proposto SystemC, estensione del C++. I linguaggi della famiglia HDL oggi di maggiore diffusione (adottati dai più noti pacchetti CAD) seguono invece la seconda tendenza, e sono in particolare Verilog e VHDL 2. Verilog ha origini essenzialmente commerciali, mentre VHDL nasce da un progetto del ministero della difesa americano (il progetto VHSIC) di cui costituiva appunto il linguaggio di descrizione hardware, ed è stato definito in modo da rispondere a un certo numero di requisiti essenziali. Sebbene l obiettivo di questo libro non sia certo lo studio dei linguaggi HDL, nell Appendice A è proposta una breve introduzione a VHDL e SystemC. 1.3 Obiettivi del libro Scopo di questo libro è introdurre il lettore alle metodologie di progetto dei circuiti e sistemi digitali, partendo dal livello di astrazione più basso e dai circuiti più semplici (quindi dal livello di porta logica e dai circuiti combinatori, cioè privi di memoria) per passare a circuiti più complessi e a livelli di astrazione più elevati, muovendosi verso la cosiddetta sintesi ad alto livello che, a partire da una descrizione algoritmica del sistema da progettare, genera un architettura di tipo RTL. Per motivi didattici, è sembrato infatti più opportuno introdurre le metodologie secondo un criterio bottom up (che in questo caso significa anche dal più 2 VHSIC Hardware Description Language, dove VHSIC significa Very High Speed Integrated Circuit.

7 semplice al più difficile ) piuttosto che secondo il criterio top down meglio adottato professionalmente durante l attività progettuale. Facendo ancora una volta riferimento alla Figura 1.1, nel presente libro si affrontano gli aspetti del progetto logico e del progetto architetturale; introducendo formalismi descrittivi, metodologie di sintesi e tecniche di ottimizzazione. La presentazione non esaurisce certo la molteplicità di soluzioni proposte nella letteratura scientifica; in particolare, ci si è voluti concentrare sugli approcci meglio assestati e più ampiamente utilizzati nella pratica. Il lettore potrebbe osservare che di fatto oggi il progettista fa ampio uso di strumenti di progettazione automatica (basati appunto sulle metodologie e sulle tecniche qui descritte) e che quindi teoria e tecniche gli risultano in buona misura trasparenti. È però anche vero che più volte lo stesso progettista si troverà a dover sintetizzare blocchi digitali semplici, per i quali riesce più immediato operare una sintesi manuale; comunque, è indispensabile conoscere le basi teoriche degli strumenti CAD che si utilizzano (o che si valutano per una successiva utilizzazione) per poterne interpretare i risultati e al fine di comprenderne validità e limiti di utilizzo. Spesso inoltre può essere utile intervenire nel flusso automatico di progettazione al fine di guidare gli strumenti là dove sono possibili scelte alternative; ancora una volta, ciò è possibile solo quando il progettista sia in grado di comprendere i criteri secondo i quali gli strumenti medesimi operano. Per indicare come le metodologie descritte siano rispecchiate da strumenti CAD, si farà riferimento nel libro a SIS, un pacchetto software di dominio pubblico sviluppato presso l Università di California a Berkeley, e dotato poi di interfacce grafiche utente presso l Università degli Studi di Verona. Questo strumento CAD permette di applicare direttamente tutti gli algoritmi di progettazione e ottimizzazione descritti nel libro, algoritmi che vengono oramai nascosti all utente nei software commerciali. Inoltre, viene dedicato ampio spazio, in ciascun capitolo del libro, agli aspetti progettuali mediante numerosi esempi di circuiti digitali descritti nei linguaggi VHDL e SystemC. Queste descrizioni possono essere in parte analizzate mediante strumenti CAD di dominio pubblico e in parte solamente mediante strumenti commerciali (si veda l Appendice B). Lo sforzo degli autori in tal senso è stato dettato dall importanza fondamentale rivestita oggi dagli strumenti CAD per supportare le diverse fasi della progettazione dei circuiti e sistemi digitali. Pertanto gli autori hanno ritenuto opportuno mettere in grado il lettore di affrontare le problematiche relative alla progettazione di sistemi digitali complessi non soltanto conoscendone gli aspetti teorici, ma soprattutto acquisendo la necessaria sensibilità e manualità di utilizzo dei linguaggi e degli strumenti informatici di supporto alla progettazione, senza i quali sarebbe oggi impensabile affrontare i livelli di complessità, integrazione e prestazioni raggiunti dagli attuali sistemi digitali, nel rispetto dei tempi di progetto. Infine, qualche parola sugli aspetti tecnologici. Come si è già detto, il libro affronta il progetto sotto il profilo informatico ; si presenteranno a puro scopo indicativo gli schemitipo in tecnologia CMOS dei più semplici componenti logici, onde far meglio intuire poi le motivazioni che portano alla definizione e alla scelta di particolari cifre di merito quando si affronta l ottimizzazione dei circuiti. Si dedicherà inoltre spazio al problema del cosiddetto mapping tecnologico cioè della trasposizione di un progetto elaborato in termini generali o astratti, su componenti logici reali appartenenti a una precisa libreria tecnologica. Il problema del mapping si pone non solamente per chi debba progettare un circuito integrato (o una sua parte): oggi si diffonde sempre più l uso di dispositivi cosiddetti di logica programmabile, che consentono di realizzare un circuito arbitrario mediante un dispositivo costituito da celle elementari le cui funzioni come le interconnessioni che le collegano possono essere programmate on-field per realizzare la specifica fornita dal progettista. Comprendere che cosa comporti in termini prettamente logici questa trasposizione, sia nel caso più generale come nel caso di logica programmabile, è sicuramente un prerequisito per servirsi in modo efficiente di queste metodologie progettuali. 1.4 Struttura ragionata del libro I percorsi proposti dai Corsi di Laurea in Ingegneria e in Informatica variano molto da Ateneo ad Ateneo, e spesso anche in uno stesso Ateneo garantiscono una notevole

8 flessibilità di scelta allo studente. Come diretta conseguenza, i corsi che affrontano il progetto dei circuiti e dei sistemi digitali sono molto diversi per durata, contenuti, livello di approfondimento, e anche per quanto riguarda le nozioni che gli allievi hanno acquisito in corsi precedenti. D altra parte, si è preferito limitare al massimo l insieme di conoscenze preliminari da considerare acquisite prima di affrontare la lettura di questo libro; analogamente, si è scelto di condurre a un buon grado di compimento i diversi argomenti (sia pure senza eccessivi dettagli specialistici che il lettore potrà approfondire su articoli e libri della letteratura scientifica): il lettore potrà ritagliare il percorso di studio più adatto all interno del materiale presentato. Essenzialmente, l unico presupposto per affrontare la lettura di questo libro è la conoscenza delle basi dell Informatica, inclusa la capacità di realizzare o analizzare un semplice algoritmo nonché quella di comprendere le caratteristiche di un linguaggio di programmazione e di realizzare un programma (o di comprendere un frammento di un programma dato). Si suppone quindi che la nomenclatura essenziale sia nota, anche se ciò non impedirà di ridefinirla in termini rigorosi quando si debbano introdurre concetti e metodi di progetto che di tali termini fanno uso. Anche se i principi essenziali riguardanti la codifica dell informazione sono certamente noti, si è preferito riprenderli e approfondirli nel Capitolo 2, per definire alcuni concetti di base che saranno utili nei capitoli successivi. Gli aspetti di codifica sono trattati qui in modo relativamente ampio: si è voluto in particolare concedere spazio alla rappresentazione dell informazione numerica e non numerica, e ai relativi standard. Il lettore che non volesse approfondire gli aspetti di aritmetica può evitare di soffermarsi sulle sezioni relative e sul Capitolo 9, interamente dedicato ai circuiti che realizzano le operazioni aritmetiche. Analogamente, si è deciso di affrontare l algebra di commutazione in termini generali, introducendone nel Capitolo 3 proprietà e caratteristiche, prima di costruire su quest algebra le regole per realizzare i circuiti digitali di tipo combinatorio (cioè circuiti privi di memoria, le cui uscite in un qualunque istante dipendono solamente dai valori degli ingressi applicati nello stesso istante). L algebra di commutazione costituisce la base anche per le tecniche di ottimizzazione dei circuiti combinatori descritte nel Capitolo 4: oltre ai metodi esatti di ottimizzazione di circuiti a una e a più uscite, si delineano anche alcune delle soluzioni euristiche più usate negli strumenti di progettazione automatica. Dai circuiti combinatori si passa quindi ad affrontare il progetto dei circuiti sequenziali sincroni (circuiti nei quali è possibile introdurre in modo esplicito il concetto di tempo, scandito da un segnale periodico o di sincronizzazione generato indipendentemente): il loro progetto sarà visto dapprima in termini elementari, che consentano di realizzare semplici circuiti in modo essenzialmente intuitivo nel Capitolo 5, trattandone poi la sintesi e l ottimizzazione sotto vari aspetti nel Capitolo 6. Se oggi in grandissima maggioranza i circuiti digitali sono di tipo sincrono, in alcuni casi si rende necessario introdurre qualche piccolo blocco logico, ancora sequenziale, ma al quale non si può associare il concetto di tempo e di successione temporale attraverso un unico segnale di sincronismo; in questo caso, la memoria che caratterizza i circuiti sequenziali dovrà fare riferimento alla successione di eventi opportunamente definiti. Il problema della progettazione di tali circuiti sequenziali, detti asincroni, è affrontato nel Capitolo 7. Fino a questo punto, la trattazione dei problemi di sintesi e ottimizzazione è condotta in termini puramente logici, indicando semplicemente le principali (e tradizionali) cifre di merito alle quali le tecniche di ottimizzazione fanno riferimento. È sembrato utile a questo punto introdurre un capitolo che indicasse come da una sintesi astratta, quale quella così ottenuta, si possa passare all effettivo schema (sia pure ancora logico) del circuito reale, facendo riferimento alle librerie di celle elementari ottimizzate che una data tecnologia microlettronica (o una data azienda produttrice di silicio) mette a disposizione. Il Capitolo 8 imposta appunto questo problema, detto di mapping tecnologico sia in termini di celle elementari su silicio sia con riferimento alle tecnologie di logica programmabile (i cosiddetti FPGA Field Programmable Gate Array) che oggi sono adottati sempre più ampiamente nella progettazione digitale. Con questo capitolo si completa la parte più tradizionale del progetto digitale: quella a livello di porta logica. Prima di passare a soluzioni a più alto livello di astrazione, si è

9 giudicato opportuno inserire un capitolo sul progetto dei circuiti aritmetici (Capitolo 9), nel quale vengono presentate alcune fra le più note soluzioni per i circuiti che realizzano le operazioni aritmetiche in virgola fissa e indicare gli algoritmi per l implementazione delle operazioni in virgola mobile. La trattazione è relativamente estesa; sta al lettore stabilire se fermarsi ai rudimenti dell aritmetica (sostanzialmente, ai circuiti addizionatori ed eventualmente allo schema-base dei moltiplicatori) o se approfondire le varie soluzioni presentate. Come per l aritmetica, anche per altre funzionalità di larghissimo impiego esistono soluzioni preprogettate e ottimizzate che vengono usate come macrocelle nella sintesi a livello RT: in effetti, le librerie tecnologiche oggi esistenti non si limitano al livello di porta logica, ma propongono anche blocchi standard di maggiore complessità e di più elevato livello di astrazione. Tali componenti vengono descritti nel Capitolo 10, con lo scopo di comprendere come mediante tali componenti si possa realizzare un flusso di elaborazione dati (data path). I blocchi descritti nel Capitolo 10 costituiscono i componenti elementari adottati nella fase di sintesi ad alto livello affrontata nel Capitolo 11. Il problema che qui si affronta è quello di realizzare sistemi di media complessità, le cui specifiche funzionali siano descrivibili mediante un algoritmo comprendente sia attività di controllo (bene esprimibili in termini di macchine a stati finiti) sia attività (anche rilevanti) di elaborazione, che invece sarebbero male tradotte dallo schematismo delle FSM (Finite State Machine). Il modello architetturale cui si fa riferimento è quello cosiddetto FSM-Data Path (FSMD), nel quale una macchina a stati finiti realizza il comportamento del sistema controllando unità funzionali, registri e rete di interconnessione che costituiscono il flusso di elaborazione (data path). A una prima impostazione intuitiva del progetto segue la definizione degli opportuni formalismi su cui si basano gli algoritmi che procedono alla sintesi ad alto livello del datapath e alla specifica della macchina a stati finiti collegata, rispondendo a diverse cifre di merito. I capitoli che trattano aspetti progettuali sono ampiamente corredati da esempi ed esercizi risolti con strumenti automatici e manuali. In particolare, ciascuno dei capitoli relativi ad aspetti progettuali contiene un paragrafo intitolato Esercizi con strumenti automatici, che descrive la realizzazione delle diverse fasi di progetto, descritte nel capitolo stesso, attraverso un esempio significativo risolto attraverso l applicazione dello strumento CAD di dominio pubblico cui si fa riferimento nel testo. Tali paragrafi sono inoltre corredati da semplici esempi di circuiti e sistemi digitali descritti nei due linguaggi VHDL e SystemC. Alla fine di ogni capitolo, un paragrafo intitolato Esercizi contiene una raccolta di esercizi manuali, di difficoltà comparabile a quella degli esempi trattati nel capitolo corrispondente, con i quali il lettore è invitato a confrontarsi. Infine, al termine del libro sono inserite due Appendici che descrivono, la prima (Appendice A), gli aspetti essenziali dei due linguaggi VHDL e SystemC e, la seconda (Appendice B), le funzionalità e le interfacce utente dei tool di progettazione automatica a cui si fa riferimento nel testo. Il lettore interessato, e il gestore dei laboratori collegati a un corso di progettazione digitale, potranno approfondire questi aspetti sul sito web del libro: