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TD4 VHDL Logique Sequentielle 1

TD4 VHDL Logique Sequentielle

Dans ce chapitre nous prsentons toute la logique squentielle appele non rgulire.

Dfinition

On appelle logique squentielle non rgulire toute logique squentielle pour laquelle le calcul de l'tat futur en fonction de l'tat prsent ne peut pas

se faire avec des oprateurs simples (sur plusieurs bits).

Le lecteur de ce chapitre devra essayer d'apprhender les techniques communes tout ce qui a t prsent au

chapitre prcdent, surtout ce qui concerne le problme des initialisations.

Programmation des graphes d'volutions

Nous allons nous intresser dans cette section la programmation des graphes d'volutions en VHDL. C'est un sujet

que nous avons abord en TD 1 mais qu'il est important d'approfondir maintenant.

Pour illustrer cette partie, nous allons prendre un exemple particulier : le rveil.

Le diagramme d'volution comme moyen de spcifier le calcul de l'tat futur en fonction de l'tat prsent

''

Principe de fonctionnement du rveil : partir de "Off", "key"=1 arme le rveil. Si "trip" passe 1 (c'est dire que

l'heure courante devient gale l'heure de rveil) le rveil passe en "ringing" et sonne. "trip" ne reste pas trs

longtemps un (1 seconde). Son retour 0 ne suffit pas errter la sonnerie. Seul le passage de "key" 0 peut

l'arrter.

Les graphes d'volutions et le style case when

On rappelle encore une fois que le style case when permet de ne pas chercher les quations de rcurrences. Mais

comme nos diagrammes d'volutions se sont compliqus (par l'ajout d'tiquettes sur les transitions), il nous faudra

ajouter des "if then". Cela est tellement intuitif que nous passons directement aux exemples. Prsentons

Programmation sans initialisation

Le principe consiste dclarer d'abord un type numr avec une dfinition symbolique de chacun des tats (ici

Armed, Off, Ringing) :

TYPE typetat IS (Armed, Off, Ringing); -- dans architecture

SIGNAL etat : typetat;
http://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier%3AReveilStateD.pnghttp://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=TD1_VHDLhttp://fr.wikipedia.org/wiki/VHDLhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Logique_s%C3%A9quentielle

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Ensuite dans un case when on dtaillera toutes les transitions possibles comme montr ci-dessous dans le cas o

l'on ne s'intresse pas une initialisation :

-- sans initialisation

BEGIN

PROCESS (clock) BEGIN

IF clock'EVENT AND clock='1' THEN

CASE etat IS

WHEN Off => IF key ='1' THEN etat IF key ='1' THEN etat

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Ring

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Notez en ligne 5 l'utilisation d'un "elsif" en lieu et place d'un "else if" dont l'intrt est d'conomiser un "end if".

Le codage des tats

La programmation des tats ncessite une dclaration symbolique comme on peut voir ci-dessous :

--********* VHDL

TYPE typetat IS (Armed, Off, Ringing); -- dans architecture


Quand la synthse sera demande plusieurs solutions peuvent se prsenter suivant le codage des tats. Une telle

dclaration dbouchera sur un codage Armed=00, Off=01 et Ringing=10.

On peut modifier ce codage l'aide de deux attributs diffrents : enum_encoding et state_encoding. Enum_encoding

est normalis par le standard IEEE 1076.6.

--********* VHDL

type state is (s0,s1,s2,s3);

attribute enum_encoding of state:type is "00 01 10 11";

La directive state_encoding spcifie la nature du code interne pour les valeurs d'un type numr.

--********* VHDL

attribute state_encoding of type-name:type is value;

Les valeurs lgales de la directive state_encoding sont sequential, one_hot_zero, one_hot_one, and gray.

sequential : on code en binaire au fur et mesure de l'numration avec autant de bits que ncessaire.

one_hot_zero : on code la premire valeur par zro, puis le reste en utilisant chaque fois un seul un : N tats

ncessiteront donc N-1 bits.

one_hot_one : idem one_hot_zero sauf que l'on n'utilise pas le code zro. N tats ncessiteront donc N bits. Gray : les tats suivent un code de GRAY.

Exemples :

avec codage one hot zeo

--********* VHDL

type state is (s0,s1,s2,s3);

attribute state_encoding of state:type is one_hot_zero;

avec codage de type Gray

--********* VHDL

type s is (s0,s1,s2,s3);

attribute state_encoding of s:type is gray;
http://fr.wikipedia.org/wiki/Code_de_Gray

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Exercice 1

Concevez une machine d'tat capable de dtecter la prsence de la sequence 1111010 .

1) Dessiner le graphe d'volution.

2) Quel code des tats sur combien de bits proposez vous

3) Raliser le programme VHDL correspondant.

Utilisation du tableau des tats pour obtenir les quations de rcurrences

Une fois le choix du codage des tats ralis, il n'est pas difficile de raliser le tableau tat prsent/tat futur pour en

dduire les quations de rcurrences.

Pour l'exemple du rveil, dj prsent, et rappel ci-dessus, on choisit le code :

"OFF" -> 00

"Armed" -> 01

"ringing" -> 10

Il n'est pas trs difficile d'en dduire la table de transition :

Table de transitions du rveil

Entres Sortie

Etat Prsent Conditions Etat futur

q1 q0 key trip q1+ q0+

0 0 0 X 0 0

0 0 1 X 0 1

0 1 1 0 0 1

0 1 0 X 0 0

0 1 X 1 1 0

1 0 0 X 1 0

1 0 1 X 0 0

1 1 X X 0 0

''

Remarque : Cette table est ambigu : cette ambiguit tait dj prsente dans le graphe d'volution qui ne dit pas ce

qui se passe si on est dans l'tat "armed" et que key=0 avec aussi trip=1 ! Il faut choisir une priorit pour la coder !

Table de transitions du rveil avec priorit
http://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier%3AReveilStateD.png

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Entres Sortie


q1 q0 key trip q1+ q0+

0 0 0 X 0 0

0 0 1 X 0 1

0 1 1 0 0 1

0 1 0 X 0 0

0 1 1 1 1 0

1 0 0 X 1 0

1 0 1 X 0 0

1 1 X X 0 0

Les deux quations de rcurrences s'en dduisent immdiatement.

Exercice 2

Active-FSM est un outil ancien prsent avec le compilateur warp. Il permet de faire un dessin d'un graphe

d'volution et de gnrer la programme VHDL entier correspondant.

Un tudiant a utilis active-FSM et gnr un

programme VHDL correspondant au dessin

ci-contre. Puis il a ralis un projet pour

compiler et obtenu le fichier de rapport

ci-dessous.

1) Remplir le tableau tat prsent tat futurci-contre en choisissant comme tat futur de

l'tat 00.

2) Trouver les quations de rcurrences

correspondantes.

3) Comparer au fichier rapport. Pourquoi n'y

a-t-il pas d'quation combinatoire de sortie ? O

est la sortie ?

Pour remplir le tableau, vous utiliserez

naturellement les quations de rcurrence du

fichier rapport. Dans ce fichier, la notation

truc.D signifie et truc.Q signifie truc

(tat prsent). On notera sregSBV_0 tout simplement s0.

Table de transitions
http://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier%3AVHDLFig16.pnghttp://fr.wikipedia.org/wiki/VHDL

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Entres Sortie


s s0 e0 e1 Init s+ s0+

0 0 0 X 0

0 0 1 X 0

0 1 0 X 0

0 1 1 X 0

1 0 0 X 0

1 0 1 X 0

1 1 1 X 0

Fichier rapport

| | | | | | |

_________________

-| |-

-| |-

-| |-

-| CYPRESS |-

-| |-

-| |- Warp VHDL Synthesis Compiler:

-| |- Copyright (C) 1991, 1992, 1993,

|_______________| Cypress Semiconductor

| | | | | | |

....

State variable 'sreg0' is represented by a Bit_vector(0 to 1).

State encoding (sequential) for 'sreg0' is:

etat0 := b"00";

etat1 := b"10";

etat2 := b"01";

-----------------------------------------------------------------------

PLD Compiler Software: PLA2JED.EXE 21/SEP/1998 [v4.02 ] 5.1 IR 14

DESIGN EQUATIONS (19:08:48)

sreg0SBV_0.D = /e0 * /init * sreg0SBV_0.Q

+ e1 * /init * s.Q

s.D = e0 * /init * /s.Q * /sreg0SBV_0.Q

+ /e1 * /init * s.Q

........

C20V8C

__________________________________________

clock =| 1| |24|* not used

init =| 2| |23|* not used

e1 =| 3| |22|* not used

e0 =| 4| |21|* not used

not used *| 5| |20|* not used


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not used *| 9| |16|= (sreg0SBV_0)

not used *|10| |15|= s

not used *|11| |14|* not used

not used *|12| |13|* Reserved

__________________________________________

Un ensemble d'exemples utilisant des graphes d'volutions est prsent en TD5 :VHDL et CAO.

Programmation de graphes d'tats

Nous avons dj eu l'occasion d'introduire ce problme en logique, dans le cours Logique squentielle.

Comparaison graphe d'tats ( gauche) et diagramme d'volution ( droite)

Une transition barre est dite rceptive (comme avec les GRAFCETs) et, comme l'indique l'quivalence du dessin

ci-dessus, elle sous entend que si la rceptivit est fausse on reste dans le mme tat.''

Remarque : Il est prsent dans le cours WIKIVERSITE logique squentielle, particulirement dans le chapitre

Description par graphe d'tats une mthode qui permet de passer d'un graphe d'tat des quations de rcurrences.

Utilisation du style "case when"

Il est trs facile de transformer le graphe d'volution du rveil en graphe d'tats. En comparant avec le programme

donn en VHDL pour ce mme rveil il n'est pas difficile de tirer quelques rgles de codage.

Pour ne pas donner deux fois le mme programme, nous donnons le programme du rveil lgrement modifi pour

remplacer les "bit" par des "std_logic".

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY Alarm IS
http://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier%3AReveilGraphe.pnghttp://fr.wikiversity.org/wiki/Logique_s%C3%A9quentielle/Description_par_graphe_d%27%C3%A9tatshttp://fr.wikiversity.org/wiki/Logique_s%C3%A9quentiellehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Grafcethttp://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier%3ATd8fig3.pnghttp://fr.wikiversity.org/wiki/Logique_s%C3%A9quentiellehttp://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=TD5_VHDL_et_CAO

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PORT(

clock,Key,Trip :IN std_logic;

Ring :OUT std_logic

);

END Alarm;

ARCHITECTURE ar OF Alarm IS

TYPE typetat IS (Armed, Off, Ringing);


BEGIN

PROCESS (clock,etat) BEGIN -- partie squentielle

IF Clock ='1' AND Clock'EVENT THEN

CASE etat IS

WHEN Off => IF key ='1' THEN etat

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-- avant horloge donc asynchrone

q

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Programmation des GRAFCETs en VHDL

Vous pouvez lire le WIKI GRAFCET ou les livres GRAFCET (niveau 8) et Automatisme : norme 1131-3 et

GRAFCET (niveau 13) de la Wikiversit avant d'aborder ce chapitre.

Les GRAFCET se dcrivent en VHDL relativement facilement en utilisant la mme technique que la section

prcdente sur les graphes d'tats. On rappelle que la diffrence entre les deux est simplement qu'en aucun cas il ne

peut y avoir deux jetons dans un graphe d'volution alors que cela est parfaitement autoris pour un GRAFCET.

C'est pour cela que l'on parle d'tape dans un GRAFCET et d'tat dans le graphe d'volution. Lorsque plusieurs

jetons se trouvent dans un GRAFCET, on parle de paralllisme. En voici un exemple simple :

Dans ce GRAFCET, quitter l'tape 10 active les deux tapes 21 et 30.

Obtenir les quations de rcurrences

La mthode simple consiste crire pour chacune des tapes les conditions d'activations (notes ) et les

conditions de dsactivations (notes ).

Dfinition

La condition d'activation s'obtient en se posant la question : comment activer l'tape i si elle n'est pas active ?

La condition de dsactivation s'obtient quant elle en se posant la question : quelles sont les conditions ncessaires pour que le jeton quitte l'tape is'il est dedans ?

Avec ces conditions on va pouvoir former les quations de rcurrences :

Pour la ou les tapes initiales :

Pour les tapes non initiales :

L'indice i parcourant toutes les tapes, il y a autant d'quations de rcurrences que d'tapes. En terme matriel, cela

signifie que l'on utilisera une bascule D par tape. Bien sr, un codage des tats permet de faire des conomies de ce

ct l mais rappelez-vous qu' ce point on a que des tapes et pas encore des tats.

Nous allons partir d'un GRAFCET assez gnral pour raliser un exemple complet.

Notre grafcet de dpart

Prenez un peu de temps pour relire

l'quation de AC1 et celle de D3 qui

prennent en compte le paralllisme.

C'est le seul type de situation qui

diffre du graphe d'tat.

Voici le programme VHDL

correspondant :
http://fr.wikipedia.org/wiki/VHDLhttp://fr.wikiversity.org/wiki/Logique_s%C3%A9quentielle/Description_par_graphe_d%27%C3%A9tatshttp://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier%3AGRAFexmple1.pnghttp://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier:Graf7_02.pnghttp://fr.wikipedia.org/wiki/VHDLhttp://fr.wikiversity.org/wiki/Automatisme_:_norme_1131-3_et_GRAFCEThttp://fr.wikiversity.org/wiki/Automatisme_:_norme_1131-3_et_GRAFCEThttp://fr.wikiversity.org/wiki/Grafcethttp://fr.wikipedia.org/wiki/Grafcet

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ENTITY Graf IS PORT (

-- horloge et entre init

clk, Init: IN BIT;

-- entres

e1,e2,e3,e4 : IN BIT;

-- tapes

et1,et2,et3,et4,et5: INOUT BIT);

END Graf;

ARCHITECTURE aGraf OF Graf IS

BEGIN

PROCESS (clk) BEGIN

IF (clk'EVENT AND clk='1') THEN

-- x1+ = x3.x5.e4+x1./e1+Init

et1

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Dfinition

On dit que l'tat {2,4} correspond au marquage de l'tape 2 et de l'tape 4. Tout marquage doit tre accessible pour tre compt comme un tat. Par

exemple le marquage symbolis par {1,2,4} n'est pas accessible, c'est dire qu'il n'existe aucune squence sur les entres qui amne le GRAFCET

de son tat initial vers ce marquage.

Dans cet exemple vous obtenez un graphe d'tats qui comporte 5 tats pour un GRAFCET qui comporte 5 tapes. En

principe, le graphe d'tats comporte plus d'tats que le GRAFCET comporte d'tapes.

Pour coder les tats vous devez utiliser la relation < N (tats) qui vous donne le nombre de bits M

ncessaire au code.

Par exemple, nos 5 tats ncessitent trois bits de code.

Programmation des GRAFCETs avec "case when"

La programmation de GRAFCETs avec le style "case when" de VHDL ncessite de coder les tats. Cela signifie

donc qu'il faut transformer le GRAFCET en graphe d'tats. En effet, avec le style "case when", vous crivez derrire

le when une reprsentation (symbolique ou pas) d'un tat, ainsi, le graphe d'tats est invitable.

Si vous avez votre graphe d'tat, reportez vous la section correspondante dans ce chapitre pour apprendre coder

avec le style correspondant.

Codage des tats et quations de rcurrences

Il est possible de partir d'un GRAFCET, de le transformer en graphe d'tat comme dj prsent. Une fois que l'on

connait le nombre d'tats, on peut choisir un code des tats et transformer ensuite le tout en quations de rcurrences.

Voici un exemple :

Ce qui est nouveau est le tableau compltement droite d'assignation des tats des codes. Ce tableau permet de

remplir ensuite le tableau tat prsent tat futur avec ces codes, pour en dduire finalement les quations de

rcurrences. Il est facile de tirer de cette figure :
http://fr.wikibooks.org/w/index.php?title=Fichier:GRAFexemple3.pnghttp://fr.wikipedia.org/wiki/VHDLhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Grafcet

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''

Remarque : la complexit des quations que l'on obtient est assez dpendante du code choisi pour les tats. Il existe

des mthodes pour minimiser le nombre d'tats (Paull Unger) et choisir le code optimal (Huffman) mais on ne lesprsente pas ici. Une mthode heuristique pour coder les tats, dj prsente dans la correction de l'exercice 1,

consiste mettre le plus de zros possible sur les tats qui ont le plus de flches de transitions qui y aboutissent. Ici,

l'tat {3,5} a trois transitions qui y aboutissent : il aurait donc t trs judicieux de le coder "000" au lieu de "100" !!!

Exercice 3

Si l'on intervertit dans l'exemple donn le code de {3,5} avec celui de {1}, quelles sont les quations de rcurrences

qui se simplifient ?

Et pour finir, le problme des actionsLes actions des GRAFCETs ont t dlaisses jusqu' prsent. Si vous savez les grer avec les graphes d'tats, il n'y

a aucune diffrence pour le GRAFCET. Il s'agit d'quations combinatoires qui sont gnralement trs simples et se

compliquent un peu si l'on code les tats de manire compacte.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Grafcethttp://fr.wikipedia.org/wiki/Codage_de_Huffman

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