مستوى نقل السجل

الموسوعة الحرة

في تصميم الدوائر الرقمية ، يعتبر مستوى نقل السجلات ( RTL ) تجريدًا للتصميم يقوم بنمذجة دائرة رقمية متزامنة من حيث تدفق الإشارات الرقمية ( البيانات ) بين سجلات الأجهزة ، والعمليات المنطقية التي يتم إجراؤها على تلك الإشارات.

يُستخدم تجريد مستوى نقل السجلات في لغات وصف الأجهزة (HDLs) مثل Verilog و VHDL لإنشاء تمثيلات عالية المستوى للدائرة، والتي يمكن من خلالها اشتقاق تمثيلات منخفضة المستوى، وفي النهاية الأسلاك الفعلية. يُعد التصميم على مستوى RTL ممارسة شائعة في التصميم الرقمي الحديث. [ 1 ]

على عكس تصميم مُجمِّعات البرامج، حيث يُمثِّل مستوى نقل السجلات تمثيلاً وسيطاً، فإن مستوى RTL هو المدخلات الأساسية التي يتعامل معها مصممو الدوائر. في توليف الدوائر، تُستخدم أحيانًا لغة وسيطة بين تمثيل مستوى نقل السجلات المدخل وقائمة الشبكة المستهدفة . على عكس قائمة الشبكة، تتوفر بنيات مثل الخلايا والدوال والسجلات متعددة البتات. [ 2 ] ومن الأمثلة على ذلك FIRRTL وRTLIL.

يُعدّ نمذجة مستوى المعاملات مستوى أعلى من تصميم الأنظمة الإلكترونية .

وصف RTL

مثال على دائرة بسيطة حيث يتغير خرجها عند كل حافة صاعدة للدخل. يشكل العاكس المنطق التوافقي في هذه الدائرة، ويحتفظ المسجل بالحالة.

تتكون الدائرة المتزامنة من نوعين من العناصر: المسجلات (المنطق التتابعي) والمنطق التوافقي . تعمل المسجلات (التي تُنفذ عادةً باستخدام قلابات D ) على مزامنة عمل الدائرة مع حواف إشارة الساعة، وهي العناصر الوحيدة في الدائرة التي تتمتع بخصائص الذاكرة. أما المنطق التوافقي فيؤدي جميع الوظائف المنطقية في الدائرة، ويتكون عادةً من بوابات منطقية .

على سبيل المثال، يوضح الشكل دائرة متزامنة بسيطة للغاية. يتم توصيل العاكس من مخرج المسجل (Q) إلى مدخله (D)، لتكوين دائرة تغير حالتها مع كل حافة صاعدة لإشارة الساعة (clk). في هذه الدائرة، يتكون المنطق التوافقي من العاكس.

عند تصميم الدوائر المتكاملة الرقمية باستخدام لغة وصف الأجهزة (HDL)، تُصمم الدوائر عادةً على مستوى تجريد أعلى من مستوى الترانزستور ( عائلات المنطق ) أو مستوى البوابات المنطقية. في لغات وصف الأجهزة، يُعرّف المصمم المسجلات (التي تُقابل تقريبًا المتغيرات في لغات البرمجة)، ويصف المنطق التوافقي باستخدام بنيات مألوفة من لغات البرمجة، مثل عبارات if-then-else والعمليات الحسابية. يُسمى هذا المستوى مستوى نقل المسجلات (RTL ). يشير هذا المصطلح إلى أن RTL يركز على وصف تدفق الإشارات بين المسجلات.

على سبيل المثال، يمكن وصف الدائرة المذكورة أعلاه بلغة VHDL على النحو التالي:

D <= ليس Q ؛ عملية ( clk ) ابدأ إذا كانت الحافة الصاعدة ( clk ) إذن Q <= D ؛ نهاية إذا ؛ نهاية العملية ؛

باستخدام أداة تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) للتوليف، يمكن عادةً ترجمة هذا الوصف مباشرةً إلى ملف تنفيذي مكافئ للأجهزة الخاصة بدائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC) أو مصفوفة بوابات قابلة للبرمجة (FPGA) . كما تقوم أداة التوليف بتحسين المنطق .

على مستوى نقل البيانات بين المسجلات، يمكن تمييز أنواع معينة من الدوائر. إذا كان هناك مسار منطقي دوري من مخرج مسجل إلى مدخله (أو من مجموعة من مخارج المسجلات إلى مداخلها)، تُسمى الدائرة آلة حالة أو منطقًا تسلسليًا . أما إذا كانت هناك مسارات منطقية من مسجل إلى آخر دون وجود دورة، فتُسمى خط أنابيب .

RTL في دورة تصميم الدوائر

تُستخدم لغة وصف الأجهزة (RTL) في مرحلة تصميم المنطق من دورة تصميم الدوائر المتكاملة .

عادةً ما يتم تحويل وصف RTL إلى وصف على مستوى البوابات للدائرة بواسطة أداة توليف منطقية . ثم تستخدم أدوات التخطيط والتوجيه نتائج التوليف لإنشاء تصميم مادي .

قد تستخدم أدوات محاكاة المنطق وصف RTL للتصميم للتحقق من صحته.

تقنيات تقدير الطاقة لـ RTL

تتوفر أدوات تحليل الطاقة الأكثر دقة على مستوى الدوائر، ولكن لسوء الحظ، حتى مع استخدام نمذجة المفاتيح بدلاً من نمذجة الأجهزة، فإن أدوات مستوى الدوائر تعاني من عيوب، مثل بطئها الشديد أو حاجتها إلى ذاكرة كبيرة، مما يعيق التعامل مع الرقائق الكبيرة. معظم هذه الأدوات عبارة عن برامج محاكاة مثل SPICE، وقد استخدمها المصممون لسنوات عديدة كأدوات لتحليل الأداء. ونظرًا لهذه العيوب، بدأت أدوات تقدير الطاقة على مستوى البوابات تكتسب قبولًا متزايدًا، حيث بدأت التقنيات الاحتمالية الأسرع في الانتشار. ولكن لهذا الأمر ثمنه، إذ يتحقق التسارع على حساب الدقة، خاصةً في وجود إشارات مترابطة. على مر السنين، تبيّن أن أكبر المكاسب في تصميم الطاقة المنخفضة لا يمكن تحقيقها من خلال تحسينات مستوى الدوائر والبوابات، بينما تميل تحسينات البنية والنظام والخوارزمية إلى أن يكون لها التأثير الأكبر على استهلاك الطاقة. لذلك، تحوّل توجه مطوري الأدوات نحو أدوات التحليل والتحسين عالية المستوى للطاقة.

تحفيز

من المعروف أن خفض استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ ممكن عند إجراء تحسينات على مستويات تجريدية أعلى من مستوى الدوائر أو البوابات، مثل المستوى المعماري والخوارزمي [ 3 ]. وهذا يحفز المطورين على التركيز على تطوير أدوات جديدة لتحليل استهلاك الطاقة على المستوى المعماري. ولا يعني هذا بأي حال من الأحوال أن أدوات المستويات الأدنى غير مهمة، بل على العكس، يوفر كل مستوى من الأدوات أساسًا يُبنى عليه المستوى التالي. ويمكن استخدام تجريدات تقنيات التقدير على مستوى أدنى في مستوى أعلى مع تعديلات طفيفة.

مزايا إجراء تقدير الطاقة على مستوى RTL أو المستوى المعماري

  • يستخدم المصممون وصفًا على مستوى نقل السجلات (RTL) للتصميم لإجراء التحسينات والمفاضلات في وقت مبكر جدًا من عملية التصميم.
  • إن وجود الكتل الوظيفية في وصف RTL يجعل تعقيد التصميم المعماري أكثر قابلية للإدارة حتى بالنسبة للرقائق الكبيرة لأن RTL يتمتع بدقة أكبر بكثير من أوصاف مستوى البوابة أو الدائرة.

مكافئات البوابات

المصدر: [ 4 ]

هي تقنية تعتمد على مفهوم مكافئات البوابات. يمكن وصف تعقيد بنية الشريحة تقريبًا باستخدام مكافئات البوابات، حيث يحدد عدد مكافئات البوابات متوسط ​​عدد البوابات المرجعية اللازمة لتنفيذ وظيفة معينة. تُقدّر الطاقة الإجمالية المطلوبة لهذه الوظيفة بضرب عدد مكافئات البوابات المُقدّر في متوسط ​​الطاقة المستهلكة لكل بوابة. يمكن أن تكون البوابة المرجعية أي بوابة، مثل بوابة NAND ثنائية المدخلات.

أمثلة على تقنية البوابات المكافئة

  • نمذجة الطاقة المستقلة عن الفئة: هي تقنية تُستخدم لتقدير مساحة الشريحة وسرعتها واستهلاكها للطاقة بناءً على معلومات حول تعقيد التصميم من حيث مكافئات البوابات. يتم توزيع الوظائف على وحدات مختلفة دون تمييز بين وظائف هذه الوحدات، أي أنها مستقلة عن الفئة. هذه هي التقنية المستخدمة في نظام تقدير الشريحة (CES).
خطوات:
  1. حدد الوحدات الوظيفية مثل العدادات، وأجهزة فك التشفير، والمضاعفات، والذاكرات، وما إلى ذلك.
  2. حدد مستوى التعقيد بوحدات البوابات المنطقية المكافئة. يتم إدخال عدد وحدات البوابات المنطقية المكافئة لكل نوع وحدة إما مباشرة من المستخدم أو من مكتبة برمجية.
P=∑أنا∈fnsجنرال إلكتريكأنا(هـنموذج+جلأناVdd2)وأعدد صحيحأنا{\displaystyle \displaystyle P=\sum _{i\in {\text{fns}}}{\textit {GE}}_{i}(E_{\text{typ}}+C_{L}^{i}V_{\text{dd}}^{2})fA_{\text{int}}^{i}}
حيث يُمثل E <sub>typ</sub> متوسط ​​الطاقة المُبددة المفترضة بواسطة بوابة مكافئة، عند تفعيلها. ويُشير عامل النشاط، A <sub>int</sub> ، إلى متوسط ​​النسبة المئوية للبوابات التي يتم تبديلها في كل دورة ساعة، ويُسمح له بالتغير من وظيفة إلى أخرى. أما الحمل السعوي، C<sub> L</sub> ، فهو مزيج من حمل التفرع بالإضافة إلى الأسلاك. ويمكن استخدام تقدير متوسط ​​طول السلك لحساب سعة الأسلاك. ويُقدم هذا التقدير من قِبل المستخدم، ويتم التحقق منه باستخدام مشتقة من قاعدة رينت .
الافتراضات:
  1. يتم اعتبار بوابة مرجعية واحدة كأساس لجميع تقديرات الطاقة دون الأخذ في الاعتبار أنماط الدوائر المختلفة أو استراتيجيات التوقيت أو تقنيات التخطيط.
  2. يُفترض أن نسبة تبديل البوابات لكل دورة ساعة، المشار إليها بعوامل النشاط، ثابتة بغض النظر عن أنماط الإدخال.
  3. تتميز طاقة تبديل البوابات النموذجية بتوزيع عشوائي تمامًا للضوضاء البيضاء المنتظمة (UWN) لبيانات الإدخال. وهذا يعني أن تقدير الطاقة يكون ثابتًا سواء كانت الدائرة في وضع الخمول أو عند أقصى حمل، لأن نموذج UWN هذا يتجاهل كيفية تأثير توزيعات الإدخال المختلفة على استهلاك الطاقة للبوابات والوحدات. [ 5 ]
  • نمذجة استهلاك الطاقة المعتمدة على الفئة: يُعد هذا النهج أفضل قليلاً من النهج السابق، إذ يأخذ في الحسبان تقنيات تقدير مُخصصة لأنواع الوحدات الوظيفية المختلفة، مما يُسهم في زيادة دقة النمذجة، وهو ما لم يكن مُتاحًا في التقنية السابقة، مثل المنطق والذاكرة والوصلات البينية وساعة النظام، ومن هنا جاءت التسمية. يتم تقدير استهلاك الطاقة بطريقة مشابهة جدًا للحالة المستقلة. تعتمد طاقة التبديل الأساسية على بوابة AND ثلاثية المدخلات، ويتم حسابها من معايير تقنية مثل عرض البوابة، ومعامل التمدد الحراري، وعرض المعدن، والتي يُحددها المستخدم.
Pخطوط البت=شمالكول2⋅(لكولجسلك+شمالصفجخلية)VddVيتأرجح{\displaystyle P_{\text{bitlines}}={\dfrac {N_{\text{col}}}{2}}\cdot (L_{\text{col}}C_{\text{wire}}+N_{\text{row}}C_{\text{cell}})V_{\text{dd}}V_{\text{swing}}}
حيث يرمز C wire إلى سعة توصيل خط البت لكل وحدة طول، وC cell إلى الحمل الناتج عن خلية واحدة متصلة بخط البت. وتستند سعة الساعة إلى افتراض شبكة توزيع من نوع H-tree . ويتم نمذجة النشاط باستخدام نموذج UWN. وكما هو موضح في المعادلة، يرتبط استهلاك الطاقة لكل مكون بعدد الأعمدة (N col ) والصفوف (N row ) في مصفوفة الذاكرة.
العيوب:
  1. لا يتم نمذجة أنشطة الدائرة بدقة، إذ يُفترض وجود عامل نشاط إجمالي للشريحة بأكملها، وهو عامل غير موثوق به حتى مع البيانات التي يقدمها المستخدم. في الواقع، تختلف عوامل النشاط في جميع أنحاء الشريحة، مما يجعل هذه النمذجة غير دقيقة وعرضة للخطأ. ويؤدي هذا إلى مشكلة تتمثل في أنه حتى لو قدم النموذج تقديرًا صحيحًا لاستهلاك الطاقة الإجمالي للشريحة، فإن توزيع الطاقة على مستوى الوحدات يكون غير دقيق إلى حد كبير.
  2. يُعطي عامل النشاط المُختار إجمالي الطاقة الصحيح، لكنّ تقسيم الطاقة إلى منطق، وساعة، وذاكرة، وما إلى ذلك، أقل دقة. لذا، لا يختلف هذا الجهاز كثيرًا عن جهاز CES، ولم يُحسّن عنه كثيرًا.

مكتبات الخلايا المُحددة مسبقًا

تُتيح هذه التقنية تخصيصًا أكبر لتقدير استهلاك الطاقة لمختلف الوحدات الوظيفية، وذلك من خلال وجود نموذج طاقة منفصل لكل من المنطق والذاكرة والوصلات البينية، مما يُشير إلى استخدام طريقة تقريب معامل القدرة (PFA) لتوصيف مكتبة كاملة من الوحدات الوظيفية، مثل المضاعفات والجامعات، بدلاً من نموذج واحد مكافئ للبوابات للوحدات المنطقية. ويتم تقريب استهلاك الطاقة على مستوى الشريحة بالكامل باستخدام الصيغة التالية:

P=∑أنا∈جميع الكتلكأناجيأناوأنا{\displaystyle \displaystyle P=\sum _{i\in {\text{جميع الكتل}}}K_{i}G_{i}f_{i}}

حيث K i هو ثابت التناسب PFA الذي يميز العنصر الوظيفي رقم iجيأنا{\displaystyle G_{i}}وهو مقياس لتعقيد الأجهزة، ووأنا{\displaystyle f_{i}}يشير إلى تردد التنشيط.

مثال

يرتبط التعقيد المادي للمضاعف، G i، بمربع طول كلمة الإدخال، أي N²، حيث N هو طول الكلمة. تردد التنشيط هو معدل تنفيذ عمليات الضرب بواسطة الخوارزمية، ويرمز له بـومuلت{\displaystyle f_{mult}}وثابت PFA،كمuلت{\displaystyle K_{mult}}تم استخلاص هذه القيمة تجريبياً من تصميمات المضاعفات السابقة، وتبين أنها تبلغ حوالي 15 فمتوواط/بت²-هرتز لتقنية 1.2  ميكرومتر عند 5 فولت. ويكون نموذج الطاقة الناتج للمضاعف بناءً على الافتراضات المذكورة أعلاه كما يلي:

Pمتعدد=كمتعددشمال2ومتعدد{\displaystyle \displaystyle P_{\text{mult}}=K_{\text{mult}}N^{2}f_{\text{mult}}}

المزايا:

  • يمكن تخصيص هذه الوحدة وفقًا لمعايير التعقيد المناسبة لها. على سبيل المثال، بالنسبة للمضاعف، كان مربع طول الكلمة مناسبًا. أما بالنسبة للذاكرة، فتُستخدم سعة التخزين بالبتات، وبالنسبة لمحركات الإدخال/الإخراج، يكفي طول الكلمة وحده.

ضعف:

  • هناك افتراض ضمني بأن المدخلات لا تؤثر على نشاط المضاعف، وهو ما يتناقض مع حقيقة أن ثابت PFAكمuلت{\displaystyle K_{mult}}يهدف إلى التقاط النشاط الداخلي الجوهري المرتبط بعملية الضرب حيث يتم اعتباره ثابتًا.

تم اختبار خطأ التقدير (مقارنةً بمحاكاة مستوى التبديل) لمضاعف 16×16، ولوحظ أنه عندما لا يشغل النطاق الديناميكي للمدخلات طول كلمة المضاعف بالكامل، يصبح نموذج UWN غير دقيق للغاية. [ 6 ] صحيح أن المصممين الجيدين يسعون إلى زيادة استخدام طول الكلمة إلى أقصى حد، إلا أن الأخطاء التي تتراوح بين 50 و100% ليست نادرة. يشير الشكل بوضوح إلى وجود خلل في نموذج UWN.

انظر أيضاً

تقدير الطاقة

مراجع