background image

I

T
P

W

ZPT

1

Struktury układów logicznych

FPGA

Field Programmable Gate Array

 

W dzisiejszych technologiach układy logiczne 

to nie tylko bramki!

Coraz większego znaczenia 
nabierają technologie, w których 
podstawowym elementem 
konstrukcyjnym są komórki logiczne
(Logic Cell) 

Logic Cell

… a dla tych struktur klasyczne 
metody syntezy - w szczególności  
minimalizacja - są nieskuteczne

background image

2

Dekompozycja funkcjonalna jest metodą znaną od dawna, 
ale jej intensywny rozwój dokonuje się od niedawna.  

Sytuacja jest podobna do rozwoju nowoczesnych metod 
minimalizacji, który to rozwój zapoczątkowany został 
pojawieniem się układów scalonych z milionami bramek 
logicznych. 

Jedyną różnicą jest fakt, że technologie struktur 
komórkowych pojawiły się znacznie później i metody ich 
syntezy nie są jeszcze wbudowane do systemów 
komercyjnych.

background image

I

T
P

W

ZPT

3

Dekompozycja funkcjonalna 

Skuteczność dekompozycji jest tak ogromna, że mimo jej 
braku w narzędziach komercyjnych należy się z tymi 
metodami zapoznać i stosować w praktyce projektowania 
układów cyfrowych za pośrednictwem narzędzi 
uniwersyteckich. 

Dekompozycję funkcji boolowskich omówimy w dwóch 
ujęciach:

a) metoda klasyczna (znana od dawna...) 

b) metoda nowoczesna (dostosowana do złożoności 
dzisiejszych technologii)   

background image

I

T
P

W

ZPT

4

Metoda klasyczna  

Tablicą dekompozycji funkcji f nazywamy macierz 
dwuwymiarową o kolumnach etykietowanych wartościami 
zmiennych funkcji f ze zbioru B oraz o wierszach 
etykietowanych wartościami zmiennych funkcji f ze 
zbioru A

  A

0

1

01

1

0

00

  

001

000

x

1

x

2

x

3

x

4

x

5

Elementami 
macierzy M są 
wartości, jakie 
przyjmuje funkcja f
 
 na wektorach 
złożonych z 
odpowiednich 
etykiet 
i-tego wiersza i  j-
tej kolumny. 

... to metoda tablicowa, graficzna, której podstawowe 
operacje wykonywane są na tzw. tablicy dekompozycji

background image

I

T
P

W

ZPT

5

Krotność kolumn   

Liczbę istotnie różnych kolumn tej macierzy ze względu na 
ich zawartość nazywamy ich krotnością i oznaczamy 
symbolem (A|B). 

x

1

x

2

x

3

x

4

x

5

00

0

00

1

01

0

10

0

11

0

10

1

01

1

11

1

00

1

1

1

1

0

0

0

0

01

0

1

1

1

0

0

0

0

10

0

0

0

0

0

0

0

0

11

0

0

0

0

1

1

1

0

A

B

Krotność 

kolumn =   

  

background image

I

T
P

W

ZPT

6

Klasyczne twierdzenie o 

dekompozycji 

Niech  będzie  dana  funkcja  boolowska  f  oraz 
podział  zbioru  zmiennych  wejściowych  funkcji  f 
na dwa rozłączne zbiory A i B, to wówczas:

f(A,B) = h(g

1

(B),.., g

j

(B),A)   (A|B)  

 2

j

.

B

A

g

h

f

B (bound set), A (free set)

background image

I

T
P

W

ZPT

7

Przykład 

x

1

x

2

x

3

x

4

x

5

00

0

00

1

01

0

10

0

11

0

10

1

01

1

11

1

00

1

1

1

1

0

0

0

0

01

0

1

1

1

0

0

0

0

10

0

0

0

0

0

0

0

0

11

0

0

0

0

1

1

1

0

A

B

x

1

x

2

x

3

g

1

g

2

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

1

g

1

g

2

x

4

x

5

00

01

10

11

 0 0

1

1

0

 0

 0 1

0

1

0

 0

 1 0

0

0

0

 0

 1 1

0

0

1

 0

Istnieje dekompozycja !

f = h(x

4

, x

5

, g

1

(x

1

, x

2

, x

3

), g

2

(x

1

, x

2

, x

3

)) 

background image

I

T
P

W

ZPT

8

Praktyczne znaczenie 

dekompozycji.. 

x

1

 x

2

 x

3

 x

4

 

x

5

f

 x

1

 x

2

 x

3

x

4

 

x

5

g

h

g

1

g

2

h

..dla struktur FPGA

 

background image

I

T
P

W

ZPT

9

Przykład trochę trudniejszy 

cde

 a b

000

001

010

011

100

101

110

111

00

1

0

1

0

1

0

01

1

1

10

0

1

0

0

0

1

11

0

1

 

K0

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

Istnieje dekompozycja ! 

f = h(a,b,g

1

(c,d,e), g

2

(c,d,e)) 

c     d     
e

a      b

g

h

background image

I

T
P

W

ZPT

10

Relacja zgodności kolumn 

Jak obliczać dekompozycję

background image

I

T
P

W

ZPT

11

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

1

-

0

1

-

0

1

-

-

-

-

1

1

-

-

0

1

0

0

-

0

0

1

-

-

-

-

0

Relacja zgodności kolumn 

Kolumny {k

r

, k

s

} są zgodne, jeśli nie istnieje wiersz i, 

dla którego elementy K

ir

, K

is

 są określone i różne, 

tzn. odpowiednio: 0, 1 albo  1, 0. 

background image

I

T
P

W

ZPT

12

{K1,K4,K7}

Relacja zgodności kolumn 

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

1

-

0

1

-

0

1

-

-

-

-

1

1

-

-

0

1

0

0

-

0

0

1

-

-

-

-

0

{K5,K6}

1

-

0

0

0

1

0

-

Kolumny zgodne można „sklejać”

background image

I

T
P

W

ZPT

13

Obliczanie dekompozycji... 

Wyznaczyć relację zgodności kolumn, czyli 
wypisać wszystkie pary sprzeczne.

Wyznaczyć relację zgodności kolumn, czyli 
wypisać wszystkie pary sprzeczne.

Wyznaczyć rodzinę maksymalnych zbiorów 
kolumn zgodnych (maksymalnych klas zgodnych 
– MKZ).

Wyznaczyć rodzinę maksymalnych zbiorów 
kolumn zgodnych (maksymalnych klas zgodnych 
– MKZ).

Z rodziny tej wyselekcjonować minimalną 
podrodzinę 
(w sensie liczności) rozłącznych zbiorów 
zgodnych pokrywającą zbiór K wszystkich kolumn 
tablicy dekompozycji.

Z rodziny tej wyselekcjonować minimalną 
podrodzinę 
(w sensie liczności) rozłącznych zbiorów 
zgodnych pokrywającą zbiór K wszystkich kolumn 
tablicy dekompozycji.

background image

I

T
P

W

ZPT

14

Przykład - obliczanie klas 

zgodności 

cde

 a b

00

0

00

1

01

0

01

1

10

0

10

1

11

0

11

1

00

1

0

1

0

1

0

01

1

1

10

0

1

0

0

0

1

11

0

1

 

K0

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

K0, K1 sprzeczna

K0, K2 sprzeczna

K0, K3 
zgodna

Pary 
sprzeczne:

K0, K4 
zgodna

0,1 
0,2 
0,5 
0,7 
1,2 
1,7 

2,3

2,4 
2,6 
3,5 
3,7 
4,7 
5,6 

6,7

background image

I

T
P

W

ZPT

15

Przykład – obliczanie klas 

zgodności 

Stosując algorytm MKZ (był omawiany na PUL) 
obliczamy rodzinę Maksymalnych Klas Zgodnych 
kolumn:

0,3,4,6

1,3,4,6

1,4,5
2,5,7

0,3,4,
6

Wybieram
y:

1,5

0,3,4,6

2,7

Rodzina rozłącznych 
zbiorów kolumn 
zgodnych: 

1,4,
5

2,5,
7

Kolumny powtarzające się 

usuwamy 

Komentarz: formalnie obliczamy 

pokrycie..

Kolumny ze zbiorów 
zgodnych można 
sklejać!

background image

I

T
P

W

ZPT

16

Sklejanie  kolumn – funkcja h 

cde

ab

00

0

00

1

01

0

01

1

10

0

101

110

111

00

1

-

0

1

-

0

1

0

01

-

-

-

-

1

1

-

-

10

-

0

1

0

0

-

0

1

11

0

1

-

-

-

-

-

-

K0

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

g

1

g

2

ab

00 01 11 10

00

1

0

0

-

01

1

1

-

-

10

0

0

1

-

11

0

1

-

-

{K0,K3,K4,K6}

{K1,K5}

{K2,K7}

Kodowanie?

Może być dowolne

 

background image

I

T
P

W

ZPT

17

 Kodowanie kolumn  – funkcja g 

cde

ab

00

0

00

1

01

0

01

1

10

0

101

110

111

00

1

-

0

1

-

0

1

0

01

-

-

-

-

1

1

-

-

10

-

0

1

0

0

-

0

1

11

0

1

-

-

-

-

-

-

K0

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

g

1

g

2

ab

00 01 11 10

00

1

0

0

-

01

1

1

-

-

10

0

0

1

-

11

0

1

-

-

c

d

e

g

1

g

2

0

0

0

0

0

0

 1

1

0

0

1

 0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

background image

I

T
P

W

ZPT

18

Co uzyskaliśmy

c     d     
e

a      b

g

h

Opis funkcji g i h tablicami prawdy 
wystarczy dla realizacji w strukturach FPGA

Ale funkcje g i h można  obliczyć jawnie…

czyli po procesie dekompozycji można je minimalizować

c

d

e

g

1

g

2

0

0

0

0

0

0

 1

1

0

0

1

 0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

-

-

-

-

1
0

-

1

-

0

1
1

1

0

1

0

0
1

0

0

1

1

0
0

10

11

01

00

g

1

g

2

ab

background image

I

T
P

W

ZPT

19

uzyskując w rezultacie …

c     d     
e

a      b

g

h

…strukturę na bramkach

..ale to nas nie interesuje!!!

background image

I

T
P

W

ZPT

20

Przykład (bardziej skomplikowany) - 

TL27 

x

3

x

5

x

6

x

7

x

8

x

9

x

1

0

f

1

1

1

1

0

1

0 0

1

0

1

0

1

0

0 0

0

0

1

1

1

1

0 0

1

1

0

1

0

1

1 0

0

0

1

0

0

1

1 0

0

0

1

0

1

1

0 0

1

1

0

0

1

1

0 0

0

1

1

0

0

0

0 0

0

0

0

0

0

1

0 0

1

1

1

1

0

1

1 1

0

0

1

0

1

0

0 1

0

1

1

0

0

1

1 1

0

1

0

0

0

0

0 1

0

0

1

1

1

1

1 1

1

0

0

0

1

1

0 1

1

0

1

0

0

0

1 1

1

1

0

1

0

0

1 1

1

1

1

1

1

1

1 1

1

0

0

0

0

0

0 1

0

1

0

0

1

1

1 1

1

0

0

1

1

1

1 1

1

1

0

0

0

1

0 1

1

1

1

1

1

0

1 1

0

1

1

1

0

0

0 1

.type fr
.i 10
.o 1
.p 25
001011101
0 0
101001010
0 0
010001111
0 0
101110101
1 0
110001001
1 0
010001011
0 0
111010011
0 0
010011000
0 0
010100001
0 0
011111101
1 1
000001010
0 1
110111001
1 1
010010000
0 1
010001111
1 1
001000011
0 1
111101000
1 1
111110100
1 1
111111111
1 1
001000000
0 1
110110011
1 1
001000111
1 1
111110001
0 1
101011110
1 1
011000011
0 1
010011100
0 1
.e

x

7

x

8

x

9

x

3

x

5

x

6

x

1

0

f

1 0 1 1 1 1 0

0

0 1 0 1 0 1 0

0

1 1 1 0 0 1 0

0

1 0 1 1 1 0 1

0

0 0 1 0 0 1 1

0

0 1 1 0 0 1 0

0

0 1 1 1 1 0 0

0

0 0 0 0 1 1 0

0

0 0 1 0 0 0 0

0

1 0 1 1 1 1 1

1

0 1 0 0 0 1 0

1

0 0 1 0 1 1 1

1

0 0 0 0 1 0 0

1

1 1 1 0 0 1 1

1

0 1 1 1 0 0 0

1

0 0 0 1 0 1 1

1

1 0 0 1 1 0 1

1

1 1 1 1 1 1 1

1

0 0 0 1 0 0 0

1

0 1 1 0 1 0 1

1

1 1 1 1 0 0 1

1

0 0 1 1 1 0 0

1

1 1 0 1 1 1 1

1

1 0 0 0 1 1 0

1

A

B

background image

I

T
P

W

ZPT

21

Tablica dekompozycji dla funkcji 

TL27 

0
0
0
0

0
0
1
0

0
0
1
1

0
1
0
0

0
1
0
1

0
1
1
0

0
1
1
1

1
0
0
0

1
0
0
1

1
0
1
0

1
0
1
1

1
1
0
0

1
1
0
1

1
1
1
0

1
1
1
1

00

0

1

0

1

1

00

1

0

0

1

1

01

0

1

0

01

1

0

1

1

0

10

0

1

1

10

1

0

0

1

11

0

1

11

1

1

1

1

x

3

x

5

x

6

x

10

x

7

x

8

x

9

background image

I

T
P

W

ZPT

22

Tablica dekompozycji dla funkcji 

TL27 

00

0

1

1

0

0

00

1

0

1

01

0

0

1

01

1

1

0

10

0

1

10

1

1

0

11

0

1

11

1

1

x

7

x

8

x

9

g

x

3

x

5

x

6

x

1

0

G

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0





1

1

1

1

0

H

G

background image

I

T
P

W

ZPT

23

Praktyczny wynik dekompozycji funkcji 

TL27

f

G

H

x

7

x

8

x

9

x

3

x

5

x

6

x

1 0

Tylko 2 

komórki

.type fr
.i 10
.o 1
.p 25
0010111010 0
1010010100 0
0100011110 0
1011101011 0
1100010011 0
0100010110 0
1110100110 0
0100110000 0
0101000010 0
0111111011 1
0000010100 1
1101110011 1
0100100000 1
0100011111 1
0010000110 1
1111010001 1
1111101001 1
1111111111 1
0010000000 1
1101100111 1
0010001111 1
1111100010 1
1010111101 1
0110000110 1
0100111000 1
.e

background image

I

T
P

W

ZPT

24

Zagadka

QUARTUS

25 kom. (FLEX) 

lub 27 kom. 

(Stratix)!!!

Na ilu komórkach zrealizuje tę 
funkcję amerykański system 
QUARTUS?

Niesamowita 

skuteczność procedur 

dekompozycji!!!

background image

I

T
P

W

ZPT

25

Jak usprawnić obliczanie MKZ?

W metodzie dekompozycji 
jednym z najważniejszych 
algorytmów jest algorytm 
obliczania maksymalnych klas 
zgodności

W celu sprawniejszego obliczania MKZ 

wprowadzimy metodę wg par 
zgodnych:

a) metodę bezpośrednią
b)    metodę iteracyjną

a) metodę bezpośrednią
b)    metodę iteracyjną

background image

I

T
P

W

ZPT

26

Metoda bezpośrednia

a, b

b, c
a, c

{a, b, c}

a, b, c

a, b, d

b, c, d
a, c, d

{a, b, c, d}

i.t.d.

Pary zgodne:

background image

I

T
P

W

ZPT

27

Przykład – obliczanie klas 

zgodności 

1,4,5

1,4,6 

2,5,7

3,4,6 

0,3,4,6

Maksymalne klasy 
zgodności:

0,3
0,4
0,6

1,3
1,4
1,5
1,6

2,5
2,7

3,4
3,6

4,5
4,6

5,7

0,3,

0,4,

0,3,

1,3,

1,3,

1,3,4,6

1,4,5

2,5,7

background image

I

T
P

W

ZPT

28

Algorytm MKZ wg par zgodnych

E – relacja zgodności (e

i

,e

j

)  E

E – relacja zgodności (e

i

,e

j

)  E

R

j

 = { e

i

 | i < j oraz (e

i

,e

j

)  E}

R

j

 = { e

i

 | i < j oraz (e

i

,e

j

)  E}

RKZ

k

       RKZ

k+1

     KZ  RKZ

k

RKZ

k

       RKZ

k+1

     KZ  RKZ

k

a) R

k+1

 = , RKZ

k+1

 jest powiększana o klasę KZ = {k+1}

a) R

k+1

 = , RKZ

k+1

 jest powiększana o klasę KZ = {k+1}

b) KZ  R

k+1

 = ,     KZ bez zmian

b) KZ  R

k+1

 = ,     KZ bez zmian

c) KZ  R

k+1

  ,     KZ’ = KZ  R

k+1

 {k+1} 

c) KZ  R

k+1

  ,     KZ’ = KZ  R

k+1

 {k+1} 

background image

I

T
P

W

ZPT

29

Przykład 

R

0

 =

R

0

 =

R

1

 =

R

1

 =

R

2

 =

R

2

 =

R

3

 =

R

3

 =

R

4

 =

R

4

 =

R

5

 =

R

5

 =

0,1

0,1

0,1,3

0,1,3

1,2,4

1,2,4

R

j

 = { e

i

 | i < j oraz (e

i

,e

j

)  E}

R

j

 = { e

i

 | i < j oraz (e

i

,e

j

)  E}

E

:

E

:

0,3
0,4
0,6
1,3
1,4
1,5
1,6
2,5
2,7
3,4
3,6
4,5
4,6
5,7

R

6

 =

R

6

 =

0,1,3,4

0,1,3,4

R

7

 =

R

7

 =

2,5

2,5

background image

I

T
P

W

ZPT

30

Przykład 

R

0

 =

R

0

 =

R

1

 =

R

1

 =

R

2

 =

R

2

 =

R

3

 =

R

3

 =

R

4

 =

R

4

 =

R

5

 =

R

5

 =

{0,1}

{0,1}

{0,1,3}

{0,1,3}

{1,2,4}

{1,2,4}

R

6

 =

R

6

 =

{0,1,3,4}

{0,1,3,4}

R

7

 =

R

7

 =

{2,5}

{2,5}

{0}

{0}{1}

{0}{1} {2}

{0,3}{1,3}{2}

{0,3,4}{1,3,4}{2}

{4,5}{1,4,5}{2,5}{0,3,4}{1,3,4}

{1,4,6}

{2,5,7}

{0,3,4,6}{1,3,4,6}

{2,5}

{1,4,5}

{0,3,4,6}{1,3,4,6}{5,7}{1,4,5}

Rodzina MKZ

background image

I

T
P

W

ZPT

31

Przykład…

0,3
0,4
0,6
1,3
1,4
1,5
1,6
2,5
2,7
3,4
3,6
4,5
4,6
5,7

Pary zgodne:

Pary sprzeczne:

0,1 
0,2 
0,5 
0,7 
1,2 
1,7 

2,3

2,4 
2,6 
3,5 
3,7 
4,7 
5,6 

6,7

background image

I

T
P

W

ZPT

32

Graf niezgodności  

(0,1), (0,2), (0,5), (0,7), (1,2), (1,7), (2,3),
(2,4), (2,6), (3,5), (3,7), (4,7), (5,6), (6,7) 

0

1

2

3

4

5

6

7

i jego kolorowanie 


Document Outline