Lección L3.4. Implementación de estructuras de programación

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Del curso dictado por Universitat Autònoma de Barcelona

Sistemas Digitales: De las puertas lógicas al procesador

168 calificaciones

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Universitat Autònoma de Barcelona

Sistemas Digitales: De las puertas lógicas al procesador

168 calificaciones

En este curso aprenderemos los fundamentos del diseño de los circuitos digitales actuales, siguiendo una orientación eminentemente práctica. A diferencia de otros cursos más "clásicos" de Circuitos Digitales, nuestro interés se centrará más en el Sistema que en la Electrónica que lo sustenta. Este enfoque nos permitirá sentar las bases del diseño de Sistemas Digitales complejos. Se trata de un curso muy adecuado para estudiantes de primeros cursos de carreras de Ingenierías cercanas a las TIC (Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones), y para todas aquellas personas que deseen introducirse en el mundo de los Sistemas Digitales. Por otra parte, este primer curso de Sistemas Digitales es un paso obligado para aquellas personas que deseen posteriormente profundizar en temas como el hardware de computadores y/o los circuitos integrados de aplicación específica, con todas las aplicaciones que ello implica (robótica, biónica, control industrial, etc.). Al acabar el curso serás capaz de: * Diseñar Sistemas Digitales de complejidad media. * Comprender la descripción de Sistemas Digitales mediante lenguajes de alto nivel como VHDL. * Comprender el funcionamiento de los computadores a su nivel más básico (lenguaje máquina), así como su materialización e interpretación a través de sistemas digitales algorítmicos. ACLARACIONES * Puedes realizar el curso de manera gratuita. Con ello puedes acceder a todo los contenidos (vídeos, lecturas, cuestionarios, foros). Sin embargo, no permite la opción de obtener un certificado. * Obtener el certificado implica cumplir una serie de requisitos, entre los cuales, abonar el coste asociado.

De la lección

Circuitos Combinacionales (II)

<b><font size=4 color=#B22222><b>Clicka en "v Más" para leer cuales son los objetivos de este módulo</b></font> </b><br/><br/><b>TEMA 3:</b><br/>Continuamos con el estudio de los circuitos combinacionales. Si bien en el módulo anterior trabajamos las técnicas clásicas de diseño de circuitos combinacionales, aquí nos centraremos en otros temas como las herramientas de ayuda al diseño, de las que daremos algunas pinceladas, o la síntesis de este tipo de circuitos a partir de su descripción algorítmica. <br/><br/>Lee el "Índice de las lecciones" para más información. <br/><br/>También para resolver los ejercicios de este módulo necesitarás utilizar VerilUOC_Desktop. Recuerda que en el apartado "VerilUOC_Desktop" de la semana 2 tienes toda la información que necesitas sobre el funcionamiento de dicha herramienta.

Lección L3.4. Implementación de estructuras de programación14:31

Conoce a los instructores

Elena Valderrama
Professor
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
Jean-Pierre Deschamps
Professor
Lluis Terés
Professor
Centro Nacional de Microelectrónica del CSIC
Merce Rullan
ProfesoraTitular
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
Joaquín Saiz Alcaine
Ingeniero Informático
Departamento de Microelectrónica y Sistemas Electrónicos. UAB.
David Bañeres
Profesor Agregado
Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación. UOC.
Juan Antonio Martínez
Collaborator
APSI - UAB

En esta lección trataremos las relaciones entre las instrucciones

de los lenguajes de programación en los circuitos digitales.

Estas relaciones justifican el uso de lenguajes de

descripción hardware muy similares a los lenguajes de programación.

Y la existencia de herramientas de síntesis automática de sistemas digitales.

Algunas de las estructuras de programación clásica como el if-then-else,

el case, el for, loop, o las llamadas a

procedimiento admiten una implementación hardware

inmediata en términos de componentes digitales.

Estas son las estructuras que vamos a ver a lo largo de esta lección.

Comenzamos por la primera de ellas, la estructura if-then-else.

En general una sentencia del tipo if x igual a 0

then coloca en z "a" o, en caso contrario, coloca en z "b", se puede

implementar inmediatamente directamente con un multiplexor donde pondremos

como señal de control la variable de comparación, como salida el

resultado z y entonces, dependiendo de si se cumple la condición x es igual a 0

por la entrada pondremos la "a", y si

no se cumple la condición, por la entrada 1 pondremos la "b".

Fijaros que esto es una relación inmediata.

Una sentencia if-then-else es exactamente igual a un multiplexor.

Aquí tenéis una estructura un poco más compleja porque hay unos ifs anidados.

Este sería

el nivel más interno de anidamiento, tenemos dos, y a continuación

tenemos un nivel más externo de anidamiento que es este.

Bien, esta es una estructura exactamente igual a la que acabamos de ver ahora.

Si llamamos a este if, vamos a llamarlo (A), este if

lo vamos a implementarlo con un multiplexor donde

la señal de control es la variable de

comparación, si se cumple la condición x0 igual a 0

entonces por la salida aparecerá y0

y, en caso contrario aparecerá y1.

Haciendo exactamente lo mismo, aquí tenemos un segundo if que hemos

implementado con este segundo multiplexor, la señal de control es la misma,

x0, porque la variable de comparación es la misma.

Y finalmente tendríamos el nivel más externo de anidamiento, vamos a llamarlo

(C), que lo hemos implementado con un tercer multiplexor controlado por

la variable x1 y que, en caso de que se

cumpla la condición, es decir, que x1 sea 0, el resultado

de toda esta estructura ha de ser el resultado del if que hemos llamado A, es

decir, la salida del multiplexor A, y en caso de que no se cumpla la

condición, es decir, x1 es igual a 1, en ese caso la salida ha coincidir con la

salida del if que hemos llamado B, que se corresponde con el multiplexor B.

Si tuviésemos tres niveles de anidamiento en vez

de dos, necesitaríamos tres niveles de multiplexores.

En general, si tuviésemos n niveles de anidamiento

necesitaríamos n niveles de multiplexores para implementar la estructura.

Un segundo ejemplo de estructura de programación es la estructura "case".

El mismo algoritmo que antes también puede describirse como una

sentencia "case" como esta, en la que dependiendo del

valor de x se asigna a f los valores y0, y1, y2 o y3.

Fijémonos que en este caso x tiene

dos bits, puede tomar los valores 00, 01, 10 y 11.

A esta instrucción le corresponde un multiplexor

4 a 1, con las entradas y0, y1,

y2 y y3, y la señal de control que vuelve a ser

la señal de comparación, con la diferencia que en este caso esta señal

tiene ahora dos bits como corresponde a un multiplexor 4 a 1.

Bien, pues esta es también la manera, ya véis,

inmediata de implementar una estructura "case" con multiplexores.

La tercera estructura que veremos es la estructura "for-loop".

Los "loops" se asocian a estructuras iterativas.

Vamos a verlo en un ejemplo, supongamos que queremos sumar dos números x e y.

Vamos a representar los números x e y por vectores, en este caso x será un

vector, si tiene 4 dígitos decimales, de 4 posiciones

x3, x2, x1, x0. El número

"y" también tendrá 4 componentes, y3, ...

hasta y0, y el resultado también lo vamos a representar por

un vector, en este caso de 5 componentes, z4 ...

cuatro hasta z0. Este algoritmo

suma los números siguiendo el método manual.

Recordemos, 942 más 328, lo que hacíamos es ir sumando

columna a columna, 9 más 2 da 10, ponemos aquí el 0 y generamos un

acarreo igual a 1. Para cada pareja generamos dos números,

lo que es la suma parcial y el acarreo a la etapa siguiente.

Bien, pues este algoritmo manual que hemos repetido más de una vez,

es el que se implementa en este algoritmo.

Fijaros, para todos los valores de "i" desde 0

hasta 3, es decir, va recorriendo los vectores x e y, va

generándo s(i), que sería este resultado como la suma de

la x más la y más el posible acarreo de la etapa anterior.

Si el resultado es mayor que 9 como sería en este caso,

le resta 10 y lo coloca en z. Aquí el resultado

era 10, le restamos 10, da 0, colocamos aquí el 0

y genera un acarreo igual a 1 que pasa a la etapa siguiente.

Y en caso contrario, si el resultado es menor que 9 pues

simplemente pone este resultado en z y el acarreo siguiente es 0.

Vamos a implementar este algoritmo, el "loop", en dos pasos.

En primer lugar, identificamos lo que llamamos el "cuerpo del loop", las

operaciones básicas, y construimos un circuito

básico que va a ejecutar estas operaciones.

En concreto necesitamos un módulo que sea capaz de admitir en cada momento

x(i), y(i), y el acarreo(i),

y que a partir de ahí

calcule z(i), y el acarreo

a la etapa siguiente.

Bien, este módulo realmente lo hemos utilizado bastante a lo largo del curso,

o sea que no hace falta que expliquemos demasiadas cosas más.

pero lo importante es esto: el primer paso es

construir un módulo que ejecute el cuerpo del loop.

Y lo que son las 4 iteraciones del loop, las vamos a

implementar conectando en serie 4 módulos de estos que acabamos de definir,

de manera que cada módulo ejecuta una de las iteraciones del loop.

Este primer módulo ejecuta la iteración i=0,

En la iteración i=0, se hace la suma de x0 con y0 con

el acarreo0; la suma de x(0) con y(0) con y cero

con el acarreo inicial, que en este caso es 0,

y se calcula z(i) y el acarreo siguiente.

Se calcula z(i) que, como la i es 0 es z0, y el acarreo siguiente.

A continuación la i pasa a valer 1.

El segundo módulo ejecuta la iteración correspondiente a i=1 sumando

x1 con y1 con c1,

y calculando z1 y el acarreo(2).

Y así tantas veces como fuese necesario.

En este caso son 4 iteraciones, 4 módulos. Si

ahora la hacemos de n iteraciones necesitaríamos n módulos.

Finalmente lo que decimos aquí es que el último

acarreo se corresponde con el valor más significativo,

con el dígito más significativo de la suma.

Resumiendo, ¿cómo implementamos una estructura loop?:

Construyendo un módulo básico para el cuerpo

del loop y concatenando tantas veces este módulo

básico o tantas copias de este módulo

básico como número de iteraciones realice el loop.

Un par de comentarios acerca de la estructura loop:

El primero es que más adelante veremos otras implementaciones cuando hayamos

visto los circuitos secuenciales. El segundo comentario, más importante, es

que desgraciadamente no todos los loops pueden implementarse de esta manera.

Un ejemplo es la estructura "While condition loop operation"; mientras se

cumpla esta condición, ejecuta una y otra vez

una o varias o un conjunto de operaciones.

La estructura loop, hemos visto que se convierte en tantos módulos

concatenados como el número de veces que se ejecuta el loop.

Si el número de veces en que se cumple la condición es,

o bien desconocido, como es este caso, o bien el número de veces

en que se cumple la condición es muy grande, el loop no

se puede implementar en la práctica tal como hemos visto, y en esos casos

se hace necesario utilizar módulos secuenciales, que estudiaremos más adelante.

La última estructura que vamos a ver son las llamadas a procedimientos.

Las llamadas a procedimientos se asocian a descripciones jerárquicas.

Aquí tenemos un ejemplo

de una pequeña porción de código que realiza este cálculo.

Lo de menos es como realiza el cálculo, es

decir, no vamos a entrar en el algoritmo en

sí, pero lo importante es que aquí dentro hay

una llamada a un procedimiento MAC que realiza esta operación.

Bueno, pues la implementación de las llamadas a procedimiento es muy

sencilla, de hecho consiste en que se debe definir primero un

módulo capaz de realizar las operaciones incluídas

dentro del procedimiento, en este caso es la

suma de w, con x por y, dando como resultado la

variable z módulo básico MAC. Y a

continuación, en el algoritmo, cada vez que hay una llamada en procedimiento,

deberemos colocar un módulo de estos que

acabamos de crear. En este caso concreto, en

esta porción de código, la llamada al procedimiento está dentro de un FOR,

que se repite un total de 8 veces, por lo tanto el procedimiento MAC se llamará

8 veces, y por eso hemos colocado aquí

un total de 8 módulos básicos de tipo MAC.

Y lo que es el código es el que nos dice

como irán conectadas las entradas y salidas de estos módulos básicos.

Bien, un par de comentarios como conclusión.

Hemos visto como algunas estructuras clásicas en los lenguajes de programación

se pueden implementar de una manera directa con componentes digitales.

Esto explica el por qué se han

definido lenguajes para especificar los circuitos digitales como

son por ejemplo el VHDL o el Verilog,

muy similares a los lenguajes de programación software.

Por otro lado, las herramientas de síntesis automáticas

de circuito se basan precisamente en esta relación

entre estructuras de programación y circuitos digitales; sin tal relación las

herramientas de síntesis dificilmente existirían tal y como las conocemos ahora.

Y con esto acabamos la lección. Como resumen podemos decir

que hemos visto como los multiplexores permiten implementar estructuras

if-then-else y estructuras Case, como los loops se asocian a

estructuras hardware interactivas, como las llamadas

a procedimientos se asocian a descripciones jerárquicas donde el procedimiento

constituye el nivel más alto, el más sencillo, de jerarquía, y como estas

asociaciones entre estructuras de programación y circuitos digitales nos

llevan a la definición de lenguajes de descripción hardware similares a los

lenguajes de programación más o menos convencionales.

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