ディジタル回路の設計と CADによるシステム設計

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1 ディジタル回路の設計と CADによるシステム設計
FPGAによる演算制御システムの試作 05IE063　戸塚雄太 05IE074　橋本将平 05IE089　牧野政道 05IE099　安田光 指導教授：笠原宏

2 概要 １．ディジタル回路設計ＣＡＤについて ２．ＣＡＤによる回路設計過程 ３．設計する演算制御システムについて ４．まとめと今後の予定

3 研究の目的 ディジタルシステムの設計と開発 マイクロプロセッサの解析 CADを用いた演算制御システムの設計 計画 解析 設計 検討
１．ディジタル回路設計ＣＡＤについて 研究の目的 ディジタルシステムの設計と開発 マイクロプロセッサの解析 CADを用いた演算制御システムの設計 計画 解析　　　　　　　　　　設計 検討

4 利用するCADシステム CAD コンピュータ上におけるソフトウェアを用いたディジタル回路の設計支援システム 設計ツール：
１．ディジタル回路設計ＣＡＤについて 利用するCADシステム CAD 　コンピュータ上におけるソフトウェアを用いたディジタル回路の設計支援システム 設計ツール： Xilinx社 ISE Foundation 9.1i Mentor Graphics社 ModelSimXE 6.2c FPGAダウンロード基板（40万ゲート規模）

5 設計過程 １．回路図やVerilog HDLによる回路設計 ２．シミュレーションによる動作検証 ３．FPGAにダウンロード ４．実動作の確認
２．ＣＡＤによる回路設計過程 設計過程 １．回路図やVerilog HDLによる回路設計 ２．シミュレーションによる動作検証 ３．FPGAにダウンロード ４．実動作の確認 FPGA： 　ディジタル回路の設計図を送り込んで シミュレーションを行うことができる基板

6 例1：回路図による設計 ソフトで用意されている回路図から4ビット加算器を作成 入力：A3～A0（非演算数4ビット）
２．ＣＡＤによる回路設計過程 例1：回路図による設計 ソフトで用意されている回路図から4ビット加算器を作成 入力：A3～A0（非演算数4ビット） 　　　 B3～B0（演算数4ビット） 　　　 CI（桁上げ入力） 出力：S3～S0（和4ビット） 　　　 CO（桁上げ出力） 　　　 OFL（オーバーフロー）　　　 4ビット加算器の回路図

7 例2：記述言語による設計 Verilog HDL ディジタル回路の設計用のハードウェア記述言語 Verilog HDLを用いて
２．ＣＡＤによる回路設計過程 例2：記述言語による設計 Verilog HDL 　ディジタル回路の設計用のハードウェア記述言語 Verilog HDLを用いて 例１と同じ4ビット加算器を作成

8 シミュレーション 回路図から作成した回路のソフトウェアによる仮想シミュレーションを実行した結果 入力A：1100 入力B：1000
２．ＣＡＤによる回路設計過程 シミュレーション 回路図から作成した回路のソフトウェアによる仮想シミュレーションを実行した結果 入力A：1100 入力B：1000 桁上げ入力：なし 出力S：0100 桁上げ出力：あり ｵｰﾊﾞｰﾌﾛｰ：あり

9 デモンストレーション 四則演算器 特徴： 入力：2進数8ビット（スイッチによる） 出力：2進数16ビット（LED）
２．ＣＡＤによる回路設計過程 デモンストレーション 四則演算器 　入力：2進数8ビット（スイッチによる） 　出力：2進数16ビット（LED） 特徴： ・加算、減算、乗算、除算が可能 ・LEDの2進数出力に加え出力を 16進表記に変換して7セグメント表示

10 設計する演算制御システム概要 データフロー型演算制御システム ・単一バス方式8ビット（固定長） ・ALUによる演算処理
３．設計する演算制御システムについて 設計する演算制御システム概要 データフロー型演算制御システム ・単一バス方式8ビット（固定長） 　 ・ALUによる演算処理 　 ・必要最低限の３つの汎用レジスタを実装 バスを利用した情報処理 　 ・単一バスであるため、一度に複数のデータを流すことは不可能 　・バスへのデータ出力のたびに、他の機構からの出力を許可しないシステム設計 　　　　　　　　　ハイインピーダンス状態

11 構成図 ３．設計する演算制御システムについて

12 各部説明表 項目 名称 機能 MDR 記憶データ用レジスタ 入出力データを一時保存するレジスタ MAR 記憶番地用レジスタ
３．設計する演算制御システムについて 各部説明表 項目 名称 機能 MDR 記憶データ用レジスタ 入出力データを一時保存するレジスタ MAR 記憶番地用レジスタ 記憶番地を指定するレジスタ PC プログラムカウンタ 次の命令の番地を指定するレジスタ ALU 算術論理演算装置 各演算処理を行う装置 Acc アキュムレータ 演算結果を一時的に保存するレジスタ Temp 一時保存レジスタ 演算数を一時保存するレジスタ R0~R2 汎用レジスタ 命令を実行する為に使用するレジスタ IR 命令用レジスタ 実行中の命令内容を保持するレジスタ ID デコーダ 命令を解析して受け渡す装置 Control 制御回路 バスの制御を行い命令を実行する装置

13 各種レジスタの設計 汎用レジスタ,MAR,MDR,IR,PC,Acc,Tempの設計
３．設計する演算制御システムについて 各種レジスタの設計 汎用レジスタ,MAR,MDR,IR,PC,Acc,Tempの設計 例：汎用レジスタR0の設計 クロック立ち下がり時に入力命令、　立ち上がり時に出力命令を検出 制御回路からの命令に従った 　　バスとのデータ入力と出力 他のレジスタも同様に設計 PCは命令実行番地を格納 命令に従い次の命令番地に 　　カウントアップ 入力：clk（クロック） 　　　 r0in（レジスタへの入力命令） 　　　 r0out（レジスタからの出力命令） 入出力：bus（データバス入出力）

14 デコーダの設計 インストラクションデコーダの設計 IRから出力されたデータを解析 制御回路からの出力命令に従って解析した命令やデータをバス
３．設計する演算制御システムについて デコーダの設計 インストラクションデコーダの設計 IRから出力されたデータを解析 制御回路からの出力命令に従って解析した命令やデータをバス または制御回路へ出力 入力：clk（クロック） 　　　 idout（バスへの出力命令） 　　　 idoutc（制御回路への出力命令） 　　　 iline（IRからのデータ入力） 出力: cline（制御回路へのデータ出力） 　　　 bus（データバスへの出力）

15 ALUの設計 演算処理装置の設計 制御回路からの命令に従い 演算の種類を判定
３．設計する演算制御システムについて ALUの設計 演算処理装置の設計 制御回路からの命令に従い 演算の種類を判定 Accから演算数data1、 Tempから非演算数data2を取得 制御回路からの命令に応じた演算を行い、結果をAccへ出力 入力：data1（Accからのデータ入力） 　　　 data2（Tempからのデータ入力） 　　　 mode（制御回路からの命令入力） 出力: ans（Accへのデータ出力）

16 制御回路 主な動作手順 演算処理システムの中枢 IDにて解析された命令をもと に、次のクロックの変化で各 機構へ出力する信号を作成
３．設計する演算制御システムについて 制御回路 主な動作手順 IDにて解析された命令をもと に、次のクロックの変化で各 機構へ出力する信号を作成 命令がない場合、メモリから 命令を読み出すプロセス用 の信号を作成 クロックの変化を確認し、作 成した信号を各機構へ出力 演算処理システムの中枢 解析した命令を実行させるための信号を制御 各機構を動作させる信号に変換、出力する重要な部分

17 まとめと今後の展開 ディジタル回路設計ＣＡＤの使用法を習得 データフロー型演算制御システムの基本設計への適用
４．まとめと今後の展開 まとめと今後の展開 ディジタル回路設計ＣＡＤの使用法を習得 データフロー型演算制御システムの基本設計への適用 制御回路を除く演算制御システムの各機構の設計と設置 今後 現在製作中のシステムの完成 3バス方式による演算制御システムの設計