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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
“Ferramentas para a Integração de Redes de Petri e VHDL na
Síntese de Sistemas Digitais”
GIORJETY LICORINI DIAS
Orientador: Prof. Dr. Alexandre César Rodrigues da Silva
Co-orientador: Prof. Dr. Norian Marranghello
Dissertação apresentada à Faculdade de
Engenharia - UNESP – Campus de Ilha
Solteira, para obtenção do título de
Mestre em Engenharia Elétrica.
Área de Conhecimento: Automação.
Ilha Solteira – SP
Fevereiro/2007
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
Campus de Ilha Solteira
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FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação
Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação da UNESP - Ilha Solteira.
Dias, Giorjety Licorini
D541f
Ferramentas para a integração de redes de Petri e VHDL na síntese de sistemas
digitais / Giorjety Licorini Dias. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2007
180 p. : il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia
de Ilha Solteira, 2007
Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva
Co-orientador: Norian Marranghello
Bibliografia: p. 156-159
1. Máquina de estados finitos. 2. Síntese de sistemas digitais. 3. Ferramentas de
conversão. 4. Redes de Petri. 5. VHDL (Linguagem descritiva de hardware).
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FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
G
G
I
I
O
O
R
R
J
J
E
E
T
T
Y
Y
L
L
I
I
C
C
O
O
R
R
I
I
N
N
I
I
D
D
I
I
A
A
S
S
FERRAMENTAS PARA A INTEGRAÇÃO DE REDES DE PETRI E VHDL
NA SÍNTESE DE SISTEMAS DIGITAIS.
_______________________________________
Prof. Dr. Aledir Silveira Pereira
________________________________________
Prof. Dr. Marius Strum
_______________________________________
Dr. Norian Marranghello
(Co- orientador)
ILHA SOLTEIRA – SP
Fevereiro de 2007.
Dissertação apresentada à Faculdade de
Engenharia - UNESP – Campus de Ilha
Solteira, para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
Área de Conhecimento: Automação.
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
D
EDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais Genésio e Amélia, ao
meu irmão Geverson.
A
GRADECIMENTOS
Agradeço principalmente a Deus, por ter me dado força e proteção nos momentos difíceis,
sabedoria para escolher os caminhos corretos e também pelos momentos de alegria que tive
durante esta caminhada.
Com atenção especial, aos meus orientadores Alexandre César Rodrigues da Silva e Norian
Marranghelo, pela confiança, dedicação e profissionalismo apresentados durante os três anos
em que trabalhamos juntos. Por ter me oferecido a oportunidade de crescer pessoal e
profissionalmente.
Especialmente a minha família por ter acreditado e depositado total confiança em mim.
Agradeço a eles por tudo que fizeram por mim, principalmente por estarem sempre ao meu
lado oferecendo amor, carinho e compreensão.
Aos colegas Ricardo Vieira, Henrique Dezani, Hélio Clementino, Thiago Prado e Tércio
Filho.
Com um carinho especial a Lenildo Luis Melo que foi quem mais esteve ao meu lado durante
a etapa final de conclusão deste trabalho. Seu apoio e compreensão foram muito importantes
para mim.
Aos funcionários da UNESP pelo carinho e profissionalismo apresentados durante os anos de
mestrado. Em especial a Vanessa, Antônio e Edílson.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq.
Por fim agradeço Roberto Almeida Gabriel e Eduardo Yamamoto Barbosa, pela confiança,
dedicação, compreensão e carinho oferecidos. Por ter sido as pessoas que incentivaram o
início deste trabalho.
R
ESUMO
Neste trabalho apresentam-se quatro ferramentas de síntese digital, capazes de converter
máquinas de estados finitos modeladas em rede de Petri para uma descrição VHDL
correspondente à maquina modelada. As máquinas de estados finitos nos modelos de Mealy
ou Moore são representadas em rede de Petri Lugar/Transição através de duas metodologias
de modelagem desenvolvidas. Uma das metodologias modela apenas máquinas do tipo Mealy,
enquanto que a outra modela máquinas de Mealy e Moore. As metodologias e o tipo de
tradução da rede de Petri que se deseja obter são fatores essenciais para definir as ferramentas
que serão utilizadas. Duas das ferramentas desenvolvidas traduzem o modelo da rede de Petri
em uma tabela de transição de estados e as outras duas ferramentas traduzem o modelo da
rede de Petri em uma descrição comportamental na linguagem VHDL. Dependendo da
ferramenta utilizada é necessário integrar outras ferramentas de síntese, desenvolvidas em
trabalhos anteriores, no processo de tradução da rede de Petri para VHDL. A aplicabilidade
das ferramentas e metodologias desenvolvidas foi concluída através de simulações dos
códigos VHDL obtidos.
Palavras Chave: Máquina de estados finitos. síntese de sistemas digitais. ferramentas de
conversão. redes de Petri. VHDL
A
BSTRACT
In this work we present four digital synthesis tools capable of converting finite state machines
modeled in Petri nets into a corresponding VHDL description. Mealy or Moore finite state
machine models are represented in Place/Transition Petri nets through two possible
methodologies, developed during this work. With one of the methodologies only Mealy
machines can be modeled, while the with other both Mealy and Moore type machines can be
dealt with. The methodologies and the kind of Petri net translation one desires to obtain are
essential factors to determine the tools to be used. Two among the tools we
developed translate a Petri net description into a state transition table,
while the other two translate the Petri net description into a VHDL behavioral
one. Depending on which of them is used it is also necessary to use some other
synthesis tools developed by members of our research group. The adequacy of the
developed methodologies an tools to the synthesis process has been verified
through the simulation of the VHDL codes generated by our tools.
Keywords: Finite State Machine. synthesis digital systems. convertion tools. Petri net.
VHDL.
L
ISTA DE
F
IGURAS
F
IGURA
1.1:
F
ERRAMENTAS DESENVOLVIDAS VISTA COMO UMA TRANSIÇÃO NO
D
IAGRAMA
Y. ........................... 16
F
IGURA
2.1:
R
EPRESENTAÇÃO DE UMA
R
EDE DE
P
ETRI
.......................................................................................... 20
F
IGURA
2.2:
M
ATRIZES DE INCIDÊNCIA DIRETA
(P
RÉ
)
DA REDE DE
P
ETRI DA
F
IGURA
2.1 ...................................... 23
F
IGURA
2.3:
M
ATRIZES DE INCIDÊNCIA REVERSA
(P
OS
)
DA REDE DE
P
ETRI DA
F
IGURA
2.1. .................................. 24
F
IGURA
2.4:
Matrizes
DE INCIDÊNCIA
W
DA REDE DE
P
ETRI DA
F
IGURA
21. .......................................................... 24
F
IGURA
2.5:
E
XEMPLO DE UMA
R
EDE DE
P
ETRI NÃO REINICIALIZÁVEL
.................................................................. 28
F
IGURA
2.6:
G
RAFO DE
M
ARCAÇÕES
A
CESSÍVEIS DA REDE NÃO REINICIALIZÁVEL
............................................... 29
F
IGURA
2.7:
R
EDE DE
P
ETRI MARCADA E K
-
LIMITADA
........................................................................................... 30
F
IGURA
2.8:
R
EDE DE
P
ETRI COM INVARIANTE DE LUGAR
...................................................................................... 31
F
IGURA
2.9:
R
EPRESENTAÇÃO DO
D
ISPARO DE UMA
R
EDE DE
P
ETRI
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO
. .................................... 35
F
IGURA
2.10:
R
EDE DE
P
ETRI COM
A
RCO
I
NIBIDOR
. .............................................................................................. 38
F
IGURA
2.11:
R
EDE DE
P
ETRI
S
INCRONIZADA
........................................................................................................ 38
F
IGURA
2.12:
R
EDE DE
P
ETRI
T
EMPORIZADA
......................................................................................................... 39
F
IGURA
3.1:
R
EPRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA BÁSICA DE UM PROGRAMA DESCRITO EM
VHDL. .......................... 43
F
IGURA
3.2:
A
TRIBUIÇÃO DE SINAL PARA VÁRIAS CONDIÇÕES
. .............................................................................. 44
F
IGURA
3.3:
E
STRUTURA
I
F
-T
HEN
-E
ND IF
............................................................................................................ 46
F
IGURA
3.4:
U
TILIZANDO A ESTRUTURA
E
LSIF
. ..................................................................................................... 47
F
IGURA
3.5:
M
ÁQUINA DE
E
STADOS
...................................................................................................................... 47
F
IGURA
3.6:
D
ESCRIÇÃO DA MÁQUINA DE ESTADOS DA FIGURA
3.5,
UTILIZANDO O COMANDO
C
ASE
.................... 48
F
IGURA
3.7:
D
IAGRAMA NUVEM E REGISTRADOR
................................................................................................... 49
F
IGURA
3.8:
D
ESCRIÇÃO
RTL
PARA O COMPARADOR BINÁRIO DE PALAVRAS DE QUATRO BITS
............................. 49
F
IGURA
3.9:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA O COMPARADOR BINÁRIO DE PALAVRAS DE QUATRO BITS
...... 50
F
IGURA
3.10:
F
LUXOGRAMA DO
A
LGORITMO
G
ENÉTICO COM
P
ROPRIEDADE
S
UBSTITUIÇÃO
................................ 53
F
IGURA
3.11:
D
IAGRAMA DE BLOCOS DO PROGRAMA
TABELA ............................................................................ 55
F
IGURA
3.12:
D
IAGRAMA DE BLOCOS DO PROGRAMA
TAB2VHDL. ...................................................................... 56
F
IGURA
4.1:
M
ÁQUINA DE
M
EALY PARA O DETECTOR DE TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS SEM SOBREPOSIÇÃO
. ......... 60
F
IGURA
4.2:
R
EPRESENTAÇÃO DA
FSM
DO TIPO
M
EALY MODELADA EM
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO
. ...................... 61
F
IGURA
4.3:
R
EPRESENTANDO A ADIÇÃO DE ENTRADAS REALIZADA NO SOFTWARE
PIPE. .................................... 63
F
IGURA
4.4:
S
IMULAÇÃO PSEUDO
-
ALEATÓRIA REALIZADA PELO SOFTWARE
PIPE. ............................................... 64
F
IGURA
4.5:
T
RANSIÇÃO
T0
HABILITADA
. .............................................................................................................. 65
F
IGURA
4.6:
M
ARCAÇÃO NOS ESTADOS
B
E
S0
(
SAÍDA
0)
APÓS O DISPARO DE
T0. ................................................. 65
F
IGURA
4.7:
T
RANSIÇÃO
T3
HABILITADA
. .............................................................................................................. 66
F
IGURA
4.8:
M
ARCAÇÃO NOS ESTADOS
A
E
S0
(
SAÍDA
0)
APÓS O DISPARO DE
T3. ................................................. 66
F
IGURA
4.9:
T
RANSIÇÃO
T0
HABILITADA
. .............................................................................................................. 67
F
IGURA
4.10:
M
ARCAÇÃO NOS ESTADOS
B
E
S0
(
SAÍDA
0)
APÓS O DISPARO DE
T0. ............................................... 67
F
IGURA
4.11:
S
IMULAÇÃO FINAL REALIZADA PELO USUÁRIO PARA A SEQÜÊNCIA
01000. ...................................... 68
F
IGURA
4.12:
M
ODELAGEM
5M
PARA A MÁQUINA DE
M
EALY DO DETECTOR DE TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS SEM
SOBREPOSIÇÃO
. ............................................................................................................................................ 71
F
IGURA
4.13:
M
ÁQUINA DE
M
OORE PARA O DETECTOR DE TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS SEM SOBREPOSIÇÃO
. ....... 73
F
IGURA
4.14:
M
ODELAGEM EM
R
D
P
PARA A MÁQUINA DE
M
OORE DO DETECTOR DE TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS
SEM SOBREPOSIÇÃO
. ..................................................................................................................................... 74
F
IGURA
5.1:
T
RECHO DO CÓDIGO
PNML
ONDE ESTÃO DESCRITOS OS LUGARES DA
R
D
P
MODELADA PELO
AMBIENTE
PIPE. ........................................................................................................................................... 79
F
IGURA
5.2:
T
RECHO DO CÓDIGO
PNML
ONDE ESTÃO DESCRITAS OS ARCOS DA
R
D
P
MODELADA PELO AMBIENTE
PIPE. ............................................................................................................................................................ 80
F
IGURA
5.3:
D
IAGRAMA DE
B
LOCOS DO PROGRAMA
PIPE2TAB4M. .................................................................... 81
F
IGURA
5.4:
A
MBIENTE DO PROMPT
DOS
ONDE O PROGRAMA
PIPE2TAB4M
FOI EXECUTADO
. ........................... 82
F
IGURA
5.5:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
PIPE2TAB4M
PARA O DETECTOR DE TRÊS ZEROS
CONSECUTIVOS SEM SOBREPOSIÇÃO
. ............................................................................................................ 83
F
IGURA
5.6:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
AGPS ....................................................................................... 84
F
IGURA
5.7:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
TABELA
PARA O DETECTOR DE TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS
SEM SOBREPOSIÇÃO
. ..................................................................................................................................... 85
F
IGURA
5.8:
D
ESCRIÇÃO
RTL
NA LINGUAGEM
VHDL
GERADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL............................ 86
F
IGURA
5.9:
D
IAGRAMA DE
B
LOCOS PARA O PROCESSO DE SÍNTESE
. ..................................................................... 87
F
IGURA
5.10:
D
IAGRAMA DE
B
LOCOS DO PROGRAMA
PIPE2VHDL4M. ............................................................... 89
F
IGURA
5.11:
A
MBIENTE DO PROMPT
DOS
ONDE O PROGRAMA
PIPE2VHDL4M
FOI EXECUTADO
. ...................... 90
F
IGURA
5.12:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL OBTIDA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL4M
PARA O DETECTOR DE
TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS SEM SOBREPOSIÇÃO
. ......................................................................................... 91
F
IGURA
5.13:
T
RECHO DO CÓDIGO
PNML
ONDE ESTÃO DESCRITOS OS LUGARES DA
R
D
P
MODELADA PELO
AMBIENTE
PIPE. ........................................................................................................................................... 93
F
IGURA
5.14:
T
RECHO DO CÓDIGO
PNML
ONDE ESTÃO DESCRITAS AS TRANSIÇÕES DA
R
D
P
MODELADA PELO
AMBIENTE
PIPE. ........................................................................................................................................... 94
F
IGURA
5.15:
T
RECHO DO CÓDIGO
PNML
ONDE ESTÃO DESCRITAS OS ARCOS DA
R
D
P
MODELADA PELO AMBIENTE
PIPE. ............................................................................................................................................................ 95
F
IGURA
5.16:
A
MBIENTE DO PROMPT
DOS
ONDE O PROGRAMA
PIPE2TAB5M
FOI EXECUTADO
. ......................... 96
F
IGURA
5.17:
D
IAGRAMA DE
B
LOCOS DO PROGRAMA
PIPE2TAB5M. .................................................................. 97
F
IGURA
5.18:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
PIPE2TAB5M
PARA O DETECTOR DE TRÊS ZEROS
CONSECUTIVOS SEM SOBREPOSIÇÃO
. ............................................................................................................ 98
F
IGURA
5.19:
A
MBIENTE DO PROMPT
DOS
ONDE O PROGRAMA
PIPE2VHDL5M
FOI EXECUTADO
. .................... 100
F
IGURA
5.20:
D
IAGRAMA DE
B
LOCOS DO PROGRAMA
PIPE2VHDL5M. ............................................................. 101
F
IGURA
5.21:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL OBTIDA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL5M
PARA O DETECTOR DE
TRÊS ZEROS CONSECUTIVOS SEM SOBREPOSIÇÃO
,
MODELADO PELA METODOLOGIA
5M............................. 102
F
IGURA
6.1:
M
ÁQUINA DE
M
EALY PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
10010
COM SOBREPOSIÇÃO
...................... 105
F
IGURA
6.2:
M
ODELO DA
R
D
P
OBTIDO PELA METODOLOGIA
4M
PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
10010
COM
SOBREPOSIÇÃO
. .......................................................................................................................................... 105
F
IGURA
6.3:
M
ODELO DA
R
D
P
PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
10010
COM SOBREPOSIÇÃO
,
OBTIDO ATRAVÉS DA
METODOLOGIA
5M. .................................................................................................................................... 106
F
IGURA
6.4:
A
RQUIVOS CRIADOS PELOS PROGRAMAS
PIPE2TAB4M
(
A
)
E
PIPE2TAB5M(
B
). ........................... 107
F
IGURA
6.5:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
AGPS
PARA OS ARQUIVOS DA
F
IGURA
6.4. ............................. 108
F
IGURA
6.6:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
T
ABELA PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
10010. ............. 109
F
IGURA
6.7:
D
ESCRIÇÃO
RTL
NA LINGUAGEM
VHDL
GERADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL.......................... 110
F
IGURA
6.8:
D
ESCRIÇÃO
C
OMPORTAMENTAL NA LINGUAGEM
VHDL
CRIADA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL4M.
................................................................................................................................................................... 112
F
IGURA
6.9:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
10010
COM
SOBREPOSIÇÃO
. .......................................................................................................................................... 113
F
IGURA
6.10:
D
IAGRAMA DE TRANSIÇÃO DE ESTADOS PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI ....................................... 114
F
IGURA
6.11:
M
ODELO DA
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI,
APLICANDO A METODOLOGIA
4M. ............................................................................................................................................................. 114
F
IGURA
6.12:
M
ODELO DA
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI,
APLICANDO A METODOLOGIA
5M. ............................................................................................................................................................. 114
F
IGURA
6.13:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
PIPE2TAB4M
(
A
)
E
PIPE2TAB5M
(
B
)
PARA O CÓDIGO DE
LINHA
AMI. ................................................................................................................................................ 115
F
IGURA
6.14:
A
RQUIVO COM A TABELA DE TRANSIÇÃO DE ESTADOS GERADA PELO PROGRAMA
AGPS
PARA O
CÓDIGO DE LINHA
AMI. .............................................................................................................................. 116
F
IGURA
6.15:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
T
ABELA PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI. .......................... 116
F
IGURA
6.16:
D
ESCRIÇÃO
RTL
GERADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL
PARA O CÓDIGO
AMI. .......................... 117
F
IGURA
6.17:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL NA LINGUAGEM
VHDL
PARA O CÓDIGO
AMI. ............................ 118
F
IGURA
6.18:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI. ......................... 119
F
IGURA
6.19:
D
IAGRAMA DE TRANSIÇÃO DE ESTADOS PARA UMA
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
. ..... 120
F
IGURA
6.20:
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
,
OBTIDA PELA
METODOLOGIA
4M. .................................................................................................................................... 120
F
IGURA
6.21:
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
,
OBTIDA PELA
METODOLOGIA
5M. .................................................................................................................................... 121
F
IGURA
6.22:
A
RQUIVOS GERADOS PELAS FERRAMENTAS
PIPE2TAB4M
E
PIPE2TAB5M
PARA A
FSM
COM DUAS
ENTRADAS E UMA SAÍDA
. ............................................................................................................................ 122
F
IGURA
6.23:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
AGPS
PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
. .... 122
F
IGURA
6.24:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
T
ABELA PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
.
................................................................................................................................................................... 123
F
IGURA
6.25:
D
ESCRIÇÃO
RTL
CRIADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL
PARA
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA
SAÍDA
.......................................................................................................................................................... 124
F
IGURA
6.26:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL OBTIDA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL4M. ................................ 125
F
IGURA
6.27:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
.
................................................................................................................................................................... 126
F
IGURA
6.28
:
M
ÁQUINA DE
M
EALY PARA O COMPARADOR DE SÉRIE
. ................................................................. 127
F
IGURA
6.29:
M
ODELAGEM EM
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO
,
OBTIDA PELA METODOLOGIA
4M,
PARA O COMPARADOR
DE SÉRIE
. .................................................................................................................................................... 127
F
IGURA
6.30:
M
ODELAGEM EM
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA O COMPARADOR DE SÉRIE
,
OBTIDA PELA
METODOLOGIA
5M. .................................................................................................................................... 128
F
IGURA
6.31:
A
RQUIVOS GERADOS PELOS PROGRAMAS
PIPE2TAB4M(
A
)
E
PIPE2TAB5M(
B
)
PARA O
COMPARADOR DE SÉRIE
. ............................................................................................................................. 128
F
IGURA
6.32:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
AGPS. .................................................................................. 129
F
IGURA
6.33:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
TABELA
PARA O COMPARADOR DE SÉRIE
. ....................... 130
F
IGURA
6.34:
P
ARTE DA DESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL. .................................................... 131
F
IGURA
6.35:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL OBTIDA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL4M. ................................ 132
F
IGURA
6.36:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA O COMPARADOR DE SÉRIE
. ......................... 133
F
IGURA
6.37:
D
IAGRAMA DE ESTADO DO CÓDIGO
HDB3
EM
H
EXADECIMAL
....................................................... 134
F
IGURA
6.38:
M
ODELAGEM DO CÓDIGO
HDB3
EM
R
D
P. ..................................................................................... 135
F
IGURA
6.39:
T
ABELA GERADA PELO PROGRAMA
PIPE2TAB5M
PARA O CÓDIGO DE LINHA
HDB3. ................... 136
F
IGURA
6.40:
T
ABELA GERADA PELO PROGRAMA
AGPS. .................................................................................... 137
F
IGURA
6.41:
P
ARTE DA DESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL. .................................................... 138
F
IGURA
6.42:
P
ARTE DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL GERADA PELO PROGRAMA
TAB2VHDL. .................... 139
F
IGURA
6.43:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA O CÓDIGO DE LINHA
HDB3. ...................... 140
F
IGURA
6.44:
M
ÁQUINA DE
M
OORE PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
11
COM SOBREPOSIÇÃO
. ......................... 141
F
IGURA
6.45:
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
11
COM SOBREPOSIÇÃO
,
OBTIDA PELA
METODOLOGIA
5M. .................................................................................................................................... 142
F
IGURA
6.46:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
PIPE2TAB5M ...................................................................... 142
F
IGURA
6.47:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
AGPS
PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
11
COM
SOBREPOSIÇÃO
. .......................................................................................................................................... 143
F
IGURA
6.48:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
T
ABELA PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
11
COM
SOBREPOSIÇÃO
. .......................................................................................................................................... 143
F
IGURA
6.49:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA MÁQUINA DE
M
OORE GERADA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL5M. ........................................................................................................................................ 144
F
IGURA
6.50:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA O DETECTOR DA SEQÜÊNCIA
11
COM
SOBREPOSIÇÃO
. .......................................................................................................................................... 145
F
IGURA
6.51:
D
IAGRAMA DE ESTADOS REPRESENTADO EM MÁQUINA DE
M
OORE PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI.
................................................................................................................................................................... 145
F
IGURA
6.52:
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI,
REPRESENTADA EM MÁQUINAS DE
M
OORE
.
................................................................................................................................................................... 146
F
IGURA
6.53:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
PIPE2TAB5M
PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI. ................... 146
F
IGURA
6.54:
T
ABELA GERADA PELO PROGRAMA
AGPS. .................................................................................... 147
F
IGURA
6.55:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
T
ABELA PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI ........................... 147
F
IGURA
6.56:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA MÁQUINA DE
M
OORE GERADA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL5M. ........................................................................................................................................ 148
F
IGURA
6.57:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL DA MÁQUINA DE
M
OORE
,
PARA O CÓDIGO DE LINHA
AMI............................................................................................................................................................ 149
F
IGURA
6.58:
D
IAGRAMA DE ESTADOS REPRESENTADO EM MÁQUINA DE
M
OORE PARA
FSM
COM DUAS ENTRADAS
E UMA SAÍDA
. .............................................................................................................................................. 149
F
IGURA
6.59:
R
D
P
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
,
REPRESENTADA EM
MÁQUINAS DE
M
OORE
. ............................................................................................................................... 150
F
IGURA
6.60:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
PIPE2TAB5M
PARA A
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA
SAÍDA
.......................................................................................................................................................... 150
F
IGURA
6.61:
A
RQUIVO GERADO PELO PROGRAMA
AGPS. .................................................................................. 151
F
IGURA
6.62:
D
ESCRIÇÃO GERADA PELO PROGRAMA
T
ABELA PARA
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
.. 151
F
IGURA
6.63:
D
ESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL PARA MÁQUINA DE
M
OORE GERADA PELO PROGRAMA
PIPE2VHDL5M. ........................................................................................................................................ 152
F
IGURA
6.64:
S
IMULAÇÃO DA DESCRIÇÃO COMPORTAMENTAL DA MÁQUINA DE
M
OORE
,
PARA
FSM
COM DUAS
ENTRADAS E UMA SAÍDA
. ............................................................................................................................ 153
L
ISTA DE
T
ABELAS
T
ABELA
3.1:
R
EPRESENTA OS OPERADORES DE COMPARAÇÃO E OS TIPOS DE OPERADORES
. .................................. 45
T
ABELA
3.2:
R
EPRESENTA OS OPERADORES DAS OPERAÇÕES LÓGICAS E OS TIPOS DE OPERADORES
. ..................... 46
T
ABELA
6.1:
D
EMONSTRA O FUNCIONAMENTO DO DETECTOR PARA A SEQÜÊNCIA
10010
COM SOBREPOSIÇÃO
. .. 104
T
ABELA
6.2:
T
ABELA DE
C
ONVERSÃO DE
H
EXADECIMAL PARA
D
ECIMAL
........................................................... 134
12
S
UMÁRIO
1
I
NTRODUÇÃO
....................................................................................................................................................... 14
1.1
M
OTIVAÇÃO
..................................................................................................................................................... 14
1.2
O
BJETIVO DO
T
RABALHO
................................................................................................................................. 15
1.3
E
STADO DA
A
RTE
............................................................................................................................................. 17
2
R
EDES DE
P
ETRI NA
M
ODELAGEM E
E
SPECIFICAÇÃO DE
S
ISTEMAS
..................................................................... 19
2.1
D
EFINIÇÕES
...................................................................................................................................................... 19
2.2
E
STRUTURA DE UMA
R
EDE DE
P
ETRI
................................................................................................................ 22
2.2.1
M
ATRIZ DE
I
NCIDÊNCIA
D
IRETA
.................................................................................................................... 23
2.2.2
M
ATRIZ DE
I
NCIDÊNCIA
R
EVERSA
................................................................................................................. 23
2.3
F
UNCIONAMENTO DE UMA
R
EDE DE
P
ETRI
....................................................................................................... 24
2.3.1
M
ARCAÇÃO PARA A
R
EDE DE
P
ETRI
.............................................................................................................. 24
2.3.2
S
ENSIBILIZAÇÃO DE UMA
T
RANSIÇÃO
........................................................................................................... 25
2.3.3
D
ISPARO DE UMA
T
RANSIÇÃO
....................................................................................................................... 25
2.3.4
S
EQÜÊNCIA DE
D
ISPARO
................................................................................................................................ 26
2.4
P
RINCIPAIS
P
ROPRIEDADES DE UMA
R
D
P ......................................................................................................... 27
2.4.1
P
ROPRIEDADES
C
OMPORTAMENTAIS
............................................................................................................. 27
2.4.2
P
ROPRIEDADES
E
STRUTURAIS
....................................................................................................................... 31
2.5
C
LASSIFICAÇÃO DAS REDES DE
P
ETRI
............................................................................................................... 33
2.5.1
R
EDES
E
LEMENTARES
: .................................................................................................................................. 34
2.5.2
R
EDE DE
P
ETRI
L
UGAR
/T
RANSIÇÃO
.............................................................................................................. 34
2.5.3
R
EDES DE
P
ETRI
C
OLORIDA
........................................................................................................................... 36
2.5.4
E
XTENSÕES
................................................................................................................................................... 37
3
F
ERRAMENTAS
C
OMPUTACIONAIS
U
TILIZADAS NO
P
ROJETO
.............................................................................. 41
3.1
VHDL .............................................................................................................................................................. 41
3.1.1
E
STRUTURA DE UM PROGRAMA
VHDL ......................................................................................................... 43
3.1.2
P
RINCIPAIS
C
ONSTRUTORES
.......................................................................................................................... 44
3.1.2.1
A
TRIBUIÇÃO DE
S
INAL
.................................................................................................................................................... 44
3.1.2.2
C
OMPARAÇÕES E
O
PERAÇÕES
L
ÓGICAS
.......................................................................................................................... 45
3.1.2.3
E
STRUTURAS DE
D
ECISÕES
L
ÓGICAS
............................................................................................................................... 46
3.1.3
D
ESCRIÇÃO
RTL ........................................................................................................................................... 48
3.1.4
D
ESCRIÇÃO
C
OMPORTAMENTAL
................................................................................................................... 50
3.1.5
C
ARACTERÍSTICAS DAS
D
ESCRIÇÕES
RTL
E
C
OMPORTAMENTAL
................................................................. 51
3.2
P
ROGRAMA
A
LGORITMO
G
ENÉTICO COM
P
ROPRIEDADES DE
S
UBSTITUIÇÃO
(AGPS) ..................................... 52
3.3
P
ROGRAMA
TABELA ...................................................................................................................................... 54
3.4
P
ROGRAMA
TAB2VHDL ................................................................................................................................. 55
3.5
O
EDITOR
PIPE ................................................................................................................................................. 56
4
M
ETODOLOGIAS
D
ESENVOLVIDAS PARA
M
ODELAR
M
ÁQUINAS DE
E
STADOS
F
INITOS EM
R
EDES DE
P
ETRI
....... 58
4.1
M
ETODOLOGIA DE
M
ODELAGEM PARA
M
ÁQUINAS DE
M
EALY
........................................................................ 58
4.2
-
M
ETODOLOGIA
D
ESENVOLVIDA PARA A
M
ODELAGEM DE
M
ÁQUINAS DE
M
EALY OU
M
OORE
...................... 69
4.2.1
-
M
ETODOLOGIA
D
ESENVOLVIDA PARA A
M
ODELAGEM DAS
M
ÁQUINAS DE
M
EALY
.................................... 69
4.2.2
-
M
ETODOLOGIA
D
ESENVOLVIDA PARA A
M
ODELAGEM DAS
M
ÁQUINAS DE
M
OORE
................................... 72
4.3
-
C
OMPARAÇÃO ENTRE AS
M
ETODOLOGIAS DE
M
ODELAGEM DESENVOLVIDAS
............................................... 75
5
D
ESCRIÇÃO DO
F
UNCIONAMENTO DOS
P
ROGRAMAS
D
ESENVOLVIDOS
............................................................... 77
5.1
P
ROGRAMAS
D
ESENVOLVIDOS PARA A
M
ETODOLOGIA
4M ............................................................................. 77
5.1.1
P
ROGRAMA
PIPE2TAB4M ........................................................................................................................... 77
5.1.2
P
ROGRAMA
PIPE2VHDL4M ........................................................................................................................ 87
5.2
P
ROGRAMAS
D
ESENVOLVIDOS PARA A
M
ETODOLOGIA
5M ............................................................................. 92
5.2.1
P
ROGRAMA
PIPE2TAB5M ........................................................................................................................... 92
5.2.2
P
ROGRAMA
PIPE2VHDL5M ........................................................................................................................ 98
6
A
NÁLISE DOS
T
ESTES
........................................................................................................................................ 103
6.1
T
ESTES
A
PLICADOS A
M
ETODOLOGIA
4M
E
5M ............................................................................................. 103
13
6.1.1
D
ETECTOR PARA A SEQÜÊNCIA
10010
COM SOBREPOSIÇÃO
........................................................................ 104
6.1.2
C
ÓDIGO DE LINHA
AMI ............................................................................................................................... 113
6.1.3
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
................................................................................................... 119
6.1.4
C
OMPARADOR DE SÉRIE
.............................................................................................................................. 126
6.1.5
C
ÓDIGO DE
L
INHA
HDB3 ............................................................................................................................ 133
6.2
T
ESTES
A
PLICADOS À
M
ETODOLOGIA
5M ...................................................................................................... 140
6.2.1
D
ETECTOR PARA A SEQÜÊNCIA
11
COM SOBREPOSIÇÃO
.............................................................................. 141
6.2.2
C
ÓDIGO DE LINHA
AMI ............................................................................................................................... 145
6.2.3
FSM
COM DUAS ENTRADAS E UMA SAÍDA
................................................................................................... 149
C
ONCLUSÕES
....................................................................................................................................................... 154
R
EFERÊNCIAS
B
IBLIOGRÁFICAS
........................................................................................................................... 156
A
PÊNDICE
............................................................................................................................................................ 160
14
1
I
NTRODUÇÃO
1.1 Motivação
O diagrama de estados é uma das metodologias utilizadas para a descrição do
comportamento das Máquinas de Estados Finitos (FSM do inglês Finite State Machines), ele
permite escrever de maneira eficiente máquinas síncronas ou assíncronas especificadas no
modelo de Mealy ou no de Moore [1]. As FSM são intensivamente utilizadas no projeto de
controladores de sistemas digitais. Porém, devido à complexidade dos sistemas, e por
apresentarem cada vez mais atividades paralelas, o diagrama de estados tornou-se inadequado.
Assim, metodologias mais recentes utilizam descrições situadas em um alto nível de
abstração, como as redes de Petri (RdP), que possibilitam a verificação, validação e a
implementação da FSM.
Entre os paradigmas de modelagem, a RdP permite fácil especificação de co-
operação dos sub-sistemas e o uso de métodos de validação formal, que são baseados na
teoria matemática. Estes métodos devem ser aplicados antes da fase de implementação e em
paralelo com a fase de simulação, possibilitando uma minimização dos erros de projeto [2].
Vários tipos de RdP podem ser sugeridos para especificar e modelar sistemas
digitais, tanto por impor restrições para o modelo básico quanto por acrescentar extensões
para ela [2], [3], [4]. Entretanto, somente o seu uso não é o suficiente para o projeto e
implementação de um sistema. Faz-se necessário a integração de outra ferramenta que
possibilite a simulação e síntese do sistema, mais especificamente a utilização de linguagens
de descrição de hardware (HDLs).
Escolheu-se utilizar neste trabalho a linguagem de descrição de hardware VHDL,
por ser uma linguagem padronizada e bem conhecida na comunidade de projetistas de
15
sistemas digitais o que evitaria a resistência às mudanças. Essa linguagem está disponibilizada
na grande maioria dos ambientes comerciais de síntese. Dessa forma as descrições resultantes
geradas nesta linguagem, poderão ser facilmente sintetizadas em diferentes tecnologias alvo e
o desempenho de cada uma delas será comparado.
O interesse em se utilizar RdP deve-se, principalmente às suas características de
modelagem. Pesquisas realizadas comprovam a eficiência do uso desta ferramenta na
modelagem, especificação e simulação de sistemas paralelos, sendo uma ferramenta capaz de
apoiar o desenvolvimento de sistemas heterogêneos, constituídos pela integração de hardware
e software [5], [6], [7].
Assim, a integração das etapas de projeto de hardware e software, técnica
conhecida como codesign, é cada vez mais necessária no desenvolvimento de sistemas
digitais. Esta técnica, atualmente está sendo muito difundida e aplicada, pois o mercado de
produtos computacionais almeja a redução de custos e tempo de projeto, o que leva os
projetistas a deslocar maior parte da funcionalidade dos sistemas embarcados para o software,
deixando os elementos de hardware dedicados apenas às funcionalidades que necessitam de
alto desempenho [8].
Contudo, as RdP são vistas como uma extensão natural da FSM, proporcionando
assim uma migração muito fácil de uma especificação em FSM para RdP [2].
1.2 Objetivo do Trabalho
Este trabalho teve como objetivo desenvolver metodologias de modelagem que
especificassem FSM nos modelos de Mealy ou Moore em RdP, assim desenvolveram-se duas
metodologias. Uma modela apenas máquinas do tipo Mealy, a qual denominou-se 4M, a outra
modela máquinas de Mealy e Moore, a esta denominou-se 5M.
16
Para testar a viabilidade das metodologias desenvolveram-se ferramentas de
síntese digital, que convertem as FSM modeladas em RdP, ou seja, em alto nível de abstração
para um nível inferior, mas especificamente em linguagem de descrição de hardware. Desta
forma desenvolveram-se quatro ferramentas que utilizam as descrições da RdP obtidas pelas
metodologias de modelagem 4M e 5M, afim de gerar a descrição VHDL correspondente a
FSM modelada.
As descrições utilizadas como entrada pelas ferramentas, apresenta uma
linguagem padrão para RdP, a PNML (Petri Net Markup Language) [9]. Por esta razão
utilizou-se o software PIPE (Platform Independent Petri net Editor) para modelar as RdP.
As ferramentas, denominadas PIPE2VHDL4M e PIPE2VHDL5M geram a
descrição comportamental na linguagem VHDL para o sistema modelado em RdP e as
PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M determinam a tabela de transição de estados, por intermédio
desta tabela é possível obter a descrição RTL do sistema na linguagem VHDL.
Na figura 1.1 apresenta-se como as ferramentas desenvolvidas se inserem no
contexto da síntese de sistemas digitais, através do diagrama Y de Gajski and Kuhn [10].
Observa-se que a seta na figura 1.1 indica os níveis de abstração em que os programas
desenvolvidos atuam. As metodologias encontram-se no mais alto nível do diagrama.
Figura 1.1: Ferramentas desenvolvidas vista como uma transição no Diagrama Y.
Domínio Físico
Domínio Estrutural
Domínio Comportamental
Instruções em Redes de Petri
Registradores, ULAs
Portas Lógicas, Flips-Flops
Placas
Máscaras
Células lógicas
Transistores
Blocos de CIs
CPUs, Memória,
Barramentos
HDLs, Tabela Verdade e de Estados
Equações Diferenciais
Funções Booleanas, Máquina de Estados
Finitos
17
Desta forma, tem-se que as ferramentas desenvolvidas, tomam como entrada a
descrição da RdP e a converte para um código VHDL do sistema modelado. A simulação dos
códigos VHDL gerados pelas ferramentas, nos ambientes Max+PlusII ou QuatusII, validam
as metodologias desenvolvidas.
1.3 Estado da Arte
Hady et al. [11] publicou o primeiro trabalho realizado com o propósito de
integrar as linguagens RdP e VHDL. Neste os autores apresentam metodologias e ferramentas
que permitem que um sistema seja analisado usando RdP. Diferentes metodologias e
ferramentas são avaliadas para permitir a análise e verificação dos projetos interpretados em
linguagem de descrição de hardware (HDL). Uma das metodologias apresentadas permite que
o projetista crie modelos não interpretados em um ambiente já capaz de interpretar a
modelagem em VHDL.
No trabalho “geração de VHDL a partir da especificação de controladores
paralelos em redes de Petri hierárquicas” [12] são relatadas as vantagens da utilização de RdP,
relativamente a outros paradigmas de modelagem na especificação de controladores que
tenham comportamento paralelo. Os autores também propõem alterações no comportamento
das RdP, de forma a obter uma modelagem eficiente de controladores. Foi desenvolvido um
compilador que gera o código VHDL, a partir da especificação de um controlador baseado em
RdP. O compilador foi desenvolvido para gerar o código em determinado subconjunto
VHDL, que permite a simulação e a síntese no pacote Alliance (domínio público) [13].
Uma metodologia para a especificação de sistemas digitais, baseada em RdP
orientadas a objetos é apresentada por Machado et al. [14]. Neste trabalho é proposto um
18
exemplo de sistema digital que foi especificado no modelo RdP-shobi e a partir do qual o
código VHDL é gerado automaticamente.
Um dos trabalhos que propõe uma técnica para a síntese de sistemas, com
especificações comportamentais escritas em VHDL é “síntese de sistemas assíncronos
baseada no mapeamento direto usando-se VHDL e redes de Petri” [15]. Neste trabalho os
circuitos assíncronos independentes de velocidade são construídos usando células de David.
Esta técnica combina as vantagens da síntese lógica e das técnicas de tradução. As RdP
coloridas e as RdP etiquetadas são usadas como formatos intermediários para controlar a
representação dos circuitos assíncronos independentes de velocidade.
O trabalho intitulado “modelagem em redes de Petri de um controlador de
aprendizagem adaptável aplicado em uma cadeira de rodas elétrica” [16] apresenta uma
metodologia de codesign baseada na utilização de RdP, a fim de obter soluções otimizadas
para o hardware/software. Um exemplo da aplicação é dado para uma alavanca de controle
neural de uma cadeira de rodas elétrica.
19
2
R
EDES DE
P
ETRI NA
M
ODELAGEM E
E
SPECIFICAÇÃO DE
S
ISTEMAS
As redes de Petri (ou simplesmente RdP) atualmente tem-se mostrado linguagens
poderosas para especificar e modelar o comportamento de sistemas paralelos, em particular
sistemas digitais.
Os conceitos apresentados nesta seção são relevantes para o entendimento do
funcionamento desta linguagem e necessário para o desenvolvimento das metodologias de
modelagem apresentadas neste trabalho, que possibilitam que FSM sejam modeladas em RdP
Lugar/Transição. Sendo assim, apresentam-se neste capítulo definições, estutura,
funcionamento, principais propriedades e classificações pertinentes as RdP.
2.1 Definições
A RdP é uma linguagem gráfica e matemática, desenvolvida em 1962 por Carl
Adam Petri em sua tese de doutorado intitulada “Comunicação com autômatos”, defendida na
Universidade de Darmstadt, na Alemanha. Essa linguagem tem-se mostrado bastante
adequada para a modelagem de sistemas que exibem atividades assíncronas ou concorrentes
[17]. As áreas de aplicação têm sido diversas, das quais se salientam: modelagem de
protocolos de comunicação; gerenciamento de base de dados; sistemas de controle industrial;
sistemas computacionais de multiprocessamento; entre outras.
Pode-se apresentar a RdP como um modelo formal, de três maneiras diferentes
[18]:
a. um grafo com dois tipos de nós e comportamento dinâmico;
20
b. um conjunto de matrizes de inteiros positivos ou nulos, cujo comportamento
dinâmico é descrito por um sistema linear e
c. estruturalmente, um sistema de regras baseado na representação do
conhecimento, sob a forma condição→ação.
O grafo de uma RdP possui como elementos básicos: lugares, transições, arcos e
marcas (tokens ou senhas). Na figura 2.1 tem-se o modelo gráfico de uma RdP, onde são
explicitados os elementos básicos que constituem a rede.
Figura 2.1: Representação de uma Rede de Petri [18].
Um lugar (representado por círculo) modela condição ou estado de um agente
(componente de hardware ou software) que corresponde às condições que devem ser
certificadas para os eventos acontecerem. Este componente é denominado passivo e
corresponde às variáveis de estado.
Uma transição (representado por barra ou retângulo) modela um evento ou ação,
que determinam as mudanças de estado do sistema. As transições são componentes ativos.
O disparo de uma transição está associado às condições dos seus lugares de
entrada (pré-condições) e de saída (pós-condições).
Os arcos são elementos que interligam lugares a transições ou vice-versa, nunca
lugar a lugar ou transição a transição, encadeando assim condições e eventos. Os arcos
também possuem pesos, estes representam a quantidade de marcas que serão inseridas ou
retiradas dos lugares que o arco conecta.
3
t
2
t
3
t
4
P
1
P
3
P
2
3
t
1
Lugar
Marca
Transição
Arco
21
As marcas são representadas graficamente por um ponto no lugar. Ela simula um
recurso disponível ao agente, o posicionamento dessas marcas em alguns lugares do grafo,
constitui a marcação. A evolução da marcação permite modelar o comportamento dinâmico
do sistema.
A partir de todas as definições dadas suponha-se que a figura 2.1 representa um
programa que executa apenas duas tarefas, leitura e escrita de arquivos. Ressalta-se que
apenas uma tarefa é realizada por vez, ou seja, enquanto o programa efetua a leitura fica
impedido de fazer a escrita.
Assim tem-se no modelo da figura 2.1, P
1
representando a tarefa de leitura, P
3
a
escrita, P
2
o estado do programa (livre ou não para executar determinada atividade), “t
1
” o
início da atividade leitura, “t
2
” fim da leitura, “t
3
” início da atividade de escrita e “t
4
” fim da
escrita. Se houver três marcas em P
2
o programa estará livre para executar qualquer atividade,
caso contrário ele já estará realizando alguma tarefa. Suponhamos que a transição t
1
dispare
assim uma marca será retirada do Lugar P
2
e inserida no lugar P
1
, isto significa que o
programa está efetuando a leitura de um arquivo. Caso t
2
dispare, uma marca será retirada de
P
1
e inserida em P
2
, assim este estará livre para realizar outra atividade. Se t
3
disparar, três
marcas serão retiradas de P
2
e apenas uma será inserida em P
3
, desta forma o programa estará
realizando a escrita em determinado arquivo. Quando t
4
disparar uma marca será retirada de
P
3
e três serão inseridas em P
2
e o programa estará livre para efetuar qualquer uma das tarefas.
É importante ressaltar que não existe uma seqüência única para a construção de
um modelo em RdP. No entanto, uma metodologia comumente adotada para a modelagem de
um sistema produtivo através de uma representação em RdP pode ser [19]:
a. Identificação dos recursos, operações ou atividades no sistema;
b. Estabelecimento de seqüências das atividades em cada processo;
c. Representação das atividades, geralmente, por lugares que são conectados às
transições, as quais indicam o início e término destas atividades;
22
d. Especificações da marcação inicial (estado inicial do sistema);
e. Definição dos recursos através de lugares e conexão destes às transições de
início e término de cada operação.
Antes de elaborar um modelo em RdP é necessário conhecer a estrutura e o
funcionamento de uma RdP. Na subseção seguinte apresenta-se a estrutura de uma RdP.
2.2 Estrutura de uma Rede de Petri
O modo gráfico é uma das alternativas utilizadas para representar uma RdP, o que
pode ser feito por meio de um grafo bipartido, também é interessante representá-la pela sua
estrutura e dinâmica, de forma analítica. Estas representações permitem a utilização de
métodos formais de análise que proporcionam a determinação de propriedades do modelo da
RdP [20].
As RdP são compostas por quatro conjuntos: um conjunto de lugares P, um
conjunto de transições T, uma aplicação de entrada I ou Pré, e uma aplicação de saída O ou
Pós.
As ligações entre lugares e transições são especificadas através de duas funções: a
função de entrada I ou de incidência direta (Pré) e a função de saída O ou de incidência
reversa (Pós) [21].
Enquanto a função de entrada I especifica, para todas as transições t
j
, os seus
conjuntos de lugares de entrada, a função de saída O define os seus conjuntos de lugares de
saída. Uma RdP diz-se ordinária se as funções de incidência só podem tomar os valores 1 ou
0; diz-se generalizada quando as funções de incidência podem tomar valores positivos ou
nulos [20]. Essas funções são representadas em forma de matrizes. Assim nesta seção são
apresentadas definições pertinentes as matrizes de Incidência Direta e Reversa.
23
2.2.1 Matriz de Incidência Direta
Esta matriz apresenta a estrutura da rede quanto às informações dos lugares de
entrada, isto é aqueles que incidem sobre cada transição específica, e o respectivo peso do
arco de entrada da transição em questão. É formada por NL (quantidade de lugares) linhas e
NT (quantidade de transições) colunas.
Os elementos da linha “i” e coluna “j” (i =1, 2,..., NL; j =1, 2,..., NT) denotado
por A
ij
contém as seguintes informações:
a. Se A
ij
= 0, o lugar P
i
não é lugar de entrada da transição t
j
;
b. Se A
ij
≠ 0, o lugar P
i
é um lugar de entrada da transição t
j
com p
e
= A
ij
, onde p
e
é o peso de entrada, do arco que liga o lugar a transição em questão. Na figura 2.2 é
apresentada a matriz de incidência direta, ou de pré-condições, para a RdP da figura 2.1.
3
2
1
1000
0301
0010
Pr
P
P
P
é
=
Figura 2.2: Matrizes de incidência direta (Pré) da rede de Petri da Figura 2.1
Observa-se na figura 2.2 que P
2
é o lugar de entrada das transições t
1
e t
3
, com
p
e
=3 para o elemento A
23
.
2.2.2 Matriz de Incidência Reversa
Esta matriz apresenta a estrutura da rede quanto às informações dos lugares de
saída de cada transição específica e o respectivo peso do arco de saída da transição em
questão. É formada por NL linhas e NT colunas.
Os elementos da linha i e coluna j (i =1, 2,..., NL; j =1, 2,..., NT) denotado por B
ij,
contém as seguintes informações:
24
a. Se B
ij
= 0, o lugar P
i
não é lugar de saída da transição t
j
;
b. Se B
ij
≠ 0, o lugar P
i
é um lugar de saída da transição t
j
com peso p
s
= B
ij
, onde
p
s
é o peso de saída, do arco que liga a transição ao lugar.
A matriz de incidência reversa, ou de pós-condições, da RdP da figura 2.1 é
exibida na figura 2.3.
3
2
1
0100
3010
0001
P
P
P
Pos
=
Figura 2.3: Matrizes de incidência reversa (Pos) da rede de Petri da Figura 2.1.
Nota-se na figura 2.1 que P
2
é o lugar de saída das transições t
2
e t
4
, com p
s
=3 para
o elemento B
24
.
Através das duas matrizes apresentas nas figuras 2.2 e 2.3 é possível encontrar a
matriz de incidência (W), onde: W= Pos –Pré.
Na figura 2.4 é mostrada a matriz de incidência W.
−
−−
−
=
1100
3311
0011
W
Figura 2.4: Matrizes de incidência W da rede de Petri da Figura 21.
2.3 Funcionamento de uma Rede de Petri
Nesta subseção são apresentadas as regras indispensáveis para o funcionamento
de uma RdP. As regras estão divididas nos seguintes tópicos: marcação de uma RdP,
sensibilização de uma transição, disparo da transição e seqüência de disparos.
2.3.1 Marcação para a Rede de Petri
A marcação de uma RdP indica o número de marcas que cada lugar contém, uma
marcação é denotada por um vetor M, de dimensão n (número total de lugares). O p-ésimo
componente de M (denotado por M(P
i
)), é o número de marcas no lugar P
i
. Formalmente, a
25
marcação pode ser definida como um vetor M = (M(P
1
), ..., M(P
n
)). A marcação inicial (M
0
)
corresponde ao estado inicial do sistema, a partir da qual a rede será analisada. Para a figura
2.1, M
0
= (0,3,0), corresponde que os lugares P
1
e P
3
não possuem marcas, enquanto P
2
tem 3
marcas. A presença de marcas em um lugar pode ser interpretada como a presença de um
recurso de um determinado tipo.
Marcação decorrente é qualquer marcação acessível após um ou mais disparos,
partindo de uma dada marcação inicial M
0
.
2.3.2 Sensibilização de uma Transição
Uma transição t é sensibilizada por uma marcação M, se e somente se [22]:
),(Pr)(,
jii
tpépMPpi ≥∈∀
.
Por exemplo, na RdP da figura 2.1 as transições t
1
e t
3
estão sensibilizadas, pela
marcação inicial M
0
= [0 3 0]
T
, pois:
Pré (p
i
, t
1
) = [0 1 0]
T
, Pré (p
i
, t
3
) = [0 3 0]
T
e M(p
i
) = [0 3 0]
T
onde i = 1, 2,3.
Portanto:
M(p
i
) > Pré (p
i
, t
1
) e M(p
i
) = Pré (p
i
, t
3
)
2.3.3 Disparo de uma Transição
O comportamento dinâmico de cada sistema modelado com RdP pode ser descrito
pelas mudanças nos seus estados. A simulação do comportamento dinâmico acontece com o
disparo das transições, onde as marcações da RdP correspondente são modificadas.
Em uma RdP, t
i
∈
T só pode disparar se estiver sensibilizada. Disparando uma
transição sensibilizada t
i
, uma nova marcação M' é obtida, tal que [23]:
26
M'(p
i
) = M
0
(p
i
) - Pré (p
i
, t
j
) + Pós (t
j
, p),
∀
p
∈
P
Dada a RdP da figura 2.1, após o disparo da transição t
1
sensibilizada, a partir da
marcação inicial M
0
obtém-se a seguinte marcação:
M'(pi) = M
0
(p
i
) – Pré (p
i
,t
1
) + Pós (p
i
,t
1
) = [0 3 0]
T
- [0 1 0]
T
+ [1 0 0]
T
= [1 2 0]
T
Para o disparo da transição t
3
sensibilizada, obtém-se a seguinte marcação:
M'(pi) = M
0
(p
i
) – Pré (p
i
,t
3
) + Pós (p
i
,t
3
) = [0 3 0]
T
- [0 3 0]
T
+ [0 0 1]
T
= [0 0 1]
T
2.3.4 Seqüência de Disparo
Uma seqüência de transições "s" que devem disparar para atingir uma marcação
M' partindo de M é denominada de seqüência de disparo.
Se
10
1
MM
t
→
e
21
2
MM
t
→
, diz-se que a seqüência s = t
1
t
2
é disparável a partir de
M
0
com a seguinte notação:
20
21
MM
tt
→
.
Com uma seqüência "s" é associado um vetor característico S = t
jk
, onde o j indica
quais as transições disparadas e o k o número de vezes que ela disparou. Sua dimensão é igual
ao número de transições da rede.
Um exemplo de seqüência de disparo pode ser dado pela RdP da figura 2.1, para
alcançar a marcação M = (0, 0, 1) = [0, 0, 1]
T
partindo de M = (0, 3, 0), deve-se disparar a
seqüência s = t
1
t
2
t
1
t
2
t
3
= t
12
t
22
t
31
cujo vetor característico é S = (t
1
, t
2
, t
3
, t
4
) (2, 2, 1, 0) = [2
2 1 0]
T
, a seqüência de disparos na forma matricial é dada por:
→
→
→
→
→
1
0
0
0
3
0
0
2
1
0
3
0
0
2
1
0
3
0
3
2121
ttttt
Um vetor característico pode corresponder a diversas seqüências de disparo, por
exemplo: (2, 1, 0, 0) corresponde a ambas as seqüências t
1
t
2
t
1
e t
1
t
1
t
2
, observando-se assim
27
uma perda de informação na evolução da rede, pois em S não está representada a ordem de
disparo das transições. A seqüência t
2
t
1
t
1
não é uma seqüência de disparo do vetor
característico, pois t
2
não é habilitada a partir da marcação inicial, atribuída na RdP mostrada
na figura 2.1.
Observa-se também que da execução a RdP resulta dois tipos de seqüências:
a. Seqüência de disparo(s);
b. Seqüência de marcações (M
0
, M
1
, M
2
, ...).
A marcação de uma RdP é essencial para analisar suas propriedades, na subseção
2.3 são apresentadas as principais propriedades do seu modelo.
2.4 Principais Propriedades de uma RdP
As propriedades de uma RdP podem ser divididas em dois grupos [19]:
a. Propriedades comportamentais, que dependem da marcação inicial;
b. Propriedades estruturais, que dependem apenas da topologia da RdP.
A seguir, faz-se uma apresentação breve de um conjunto de propriedades
comportamentais e estruturais relevantes. Visto que o conhecimento dessas propriedades da
RdP reveste-se de grande importância na medida que permite a análise de várias
características e problemas associados aos sistema modelados por ela.
2.4.1 Propriedades Comportamentais
As propriedades dependentes de um estado inicial e que estão ligadas à evolução
da rede são mais comumente chamadas de comportamentais. Sua verificação se faz
geralmente pela construção do grafo de marcações acessíveis [23].
28
As principais propriedades comportamentais das RdP que possibilitam a análise
do sistema modelado são: vivacidade, reinicialização, alcançabilidade, limitação e
persistência.
a) Vivacidade
Uma RdP é dita viva para uma marcação inicial M
0
se, para qualquer marcação
decorrente M
n
, existir uma seqüência de disparos “s” que torne disparável qualquer transição
da rede, ou quase viva se for somente disparável por uma vez. Assim uma RdP marcada é
viva se e somente se todas as suas transições são vivas.
O conceito de vivacidade está relacionado com a total ausência de
deadlock
(bloqueios) na operação do sistema.
b) Reinicialização ou Reversibilidade
Uma RdP é reiniciável para uma dada marcação inicial M
0
se, para qualquer
marcação decorrente M
n
, existir uma seqüência de disparo “s” que faça a rede voltar à
marcação inicial.
Considerando a RdP da figura 2.5 cujo grafo de marcações é dado pela figura 2.6
ela não é reinicializável, pois não existe nenhuma seqüência que permita voltar à marcação
inicial M
0
= P
1
P
4
= (1,0,0,1) após o disparo da transição t
1
.
Figura 2.5: Exemplo de uma Rede de Petri não reinicializável [23].
t
2
P
1
P
2
P
4
P
3
t
3
t
1
29
Figura 2.6: Grafo de Marcações Acessíveis da rede não reinicializável [23].
Portanto, se considerar para a rede da figura 2.5 a marcação M
0
= P
2
P
4
= (0, 1, 0,
1), ela é ao mesmo tempo viva e reinicializável. Assim, conclui-se que a reinicialização
depende da marcação inicial e da estrutura da rede.
c) Alcançabilidade
A alcançabilidade é fundamental e básica para estudar as propriedades dinâmicas
de qualquer sistema. Indica a possibilidade de atingirmos uma determinada marcação pelo
disparo de um número finito de transições, a partir de uma marcação inicial. O disparo de uma
transição habilitada mudará a distribuição das marcas (marcação) na rede de acordo com as
regras de disparo de uma transição, descritas anteriormente.
Na RdP denomina-se de alcançabilidade de uma marcação M (representada por
A(R;M)) o multi conjunto de todas as marcações geradas a partir de M. Onde A(R, M) é igual
ao grafo de marcações.
Assim, uma marcação M
n
é dita ser alcançável a partir de uma marcação M
0
, se
existir uma seqüência de disparos que transforma M
0
em M
n
. Uma seqüência de disparos pode
ser denotada por s = M
0
t
1
M
1
t
2
M
2
... t
n
M
n
, ou simplesmente s = t
1
t
2
t
3
... . Neste caso M
n
é
alcançável desde M
0
por "s", podendo-se escrever então: M
0
[s > M
n
[23].
d) Limitação
Em uma RdP limitada, o número de marcações é finito. Entretanto uma RdP não
limitada possui infinitas marcações, significando que o sistema físico correspondente é
impossível de ser implementado.
(1, 0, 0, 1)
t
2
t
3
t
1
t
1
(0, 1, 0, 1)
(1, 0, 1, 0)
(0, 1, 1, 0)
30
Assim uma RdP é dita ser k-limitada ou simplesmente limitada se o número de
marcas em cada lugar não excede um número finito para qualquer marcação alcançável desde
M
0
.
Se k = 1 diz-se que o lugar é seguro, salvo ou binário. Por exemplo, na rede da
figura 2.7(a), cada marcação M', a qual pode ser alcançável desde M
0
, tem no máximo uma
marca em P
i,
sendo esta uma rede segura [23].
Uma rede marcada é k-limitada se e somente se todos os seus lugares são k
limitados. Apresenta-se na figura 2.7 (b) uma rede K-limitada, com k = 4.
Figura 2.7: Rede de Petri marcada e k-limitada [23].
Uma rede marcada é segura se e somente se todos os seus lugares são seguros.
e) Persistência
Uma RdP é chamada persistente se para quaisquer duas transições habilitadas, o
disparo de uma não desabilita a outra, isto é, uma transição após habilitada permanece neste
estado até disparar. Esta propriedade é importante no âmbito de circuitos assíncronos
independentes de velocidade [24]. As redes que possuem essa propriedade estão livres de
conflitos, como os grafos marcados [25]. Todos os grafos marcados são persistentes embora
nem todas as redes persistentes sejam grafos marcados [25].
É importante salientar que as propriedades que foram definidas são fortemente
ligadas à marcação inicial.
P
4
P
1
P
2
P
3
t
3
t
2
t
1
a) limitada com k = 1
P
1
P
2
P
3
P
5
t
3
t
1
t
2
P
4
t
4
b) limitada com k = 4
31
2.4.2 Propriedades Estruturais
As propriedades estruturais são aquelas que dependem das características
topológicas das RdP e são independentes da marcação inicial M
0
. Estas propriedades podem
ser, muitas vezes, caracterizadas pela matriz de incidência da RdP e pelas equações ou
desigualdades que lhe estão associadas e são cruciais na análise das RdP, já que tornam
possível a investigação da estrutura de uma RdP independentemente do comportamento [18].
a) Componentes conservativos, invariantes de lugar
Os invariantes de lugar (
place invariants
) são conjuntos de lugares, cuja soma das
marcas neles contidas é constante para todas as marcações possíveis. São representados por
vetores inteiros de dimensão n, onde n é o número de lugares da rede. Os elementos não nulos
correspondem aos lugares que pertencem a um determinado invariante.
Como exemplo desta propriedade considera-se a RdP apresentada na figura 2.8,
formada pelos lugares P
1
, P
2
, P
3
, P
4
e P
5
e pelas transições t
1
, t
2
, t
3
e t
4
.
Figura 2.8: Rede de Petri com invariante de lugar [18].
Observa-se que no circuito formado apenas pelos lugares P
1
e P
2
e pelas transições
t
1
e t
2,
a soma M(P
1
) + M(P
2
) vale 1 para a marcação inicial M
0
= [ 1 0 3 0 1 ]
T
. O disparo de
t
1
não modifica em nada esta soma, da mesma forma que o de t
2
, embora a marcação de cada
lugar seja modificada a cada disparo de transição. O disparo das transições t
3
e t
4
também não
modificam esta soma. Para este exemplo, pode-se verificar que, para todas as marcações
acessíveis a partir da marcação inicial, tem-se M(P
1
) + M(P
2
) = 1
P
1
P
3
P
2
P
4
P
5
t
2
t
3
t
4
t
1
32
A forma linear M(P
1
) + M(P
2
) = M
0
(P
1
) + M
0
(P
2
) é chamada invariante linear de
lugar, visto que a soma das marcas se conserva para estes lugares. O conjunto de lugares P
1
e
P
2
formam um componente conservativo da rede. Assim, invariantes de lugar permitem, sem
enumerar todas as marcações possíveis, obter-se informações importantes sobre a propriedade
de limitabilidade de uma determinada RdP.
Se considerarmos outro circuito para a rede da figura 2.8, formado apenas pelos
lugares P
2
, P
3
e P
4
e pelas transições t
1
, t
2
, t
3
e t
4
. Verifica-se que o conjunto P
2
, P
3
e P
4
formam um conjunto conservativo, com o invariante de lugar, pois as marcações acessíveis
após os disparos de qualquer uma das transições t
1
, t
2
, t
3
e t
4
não alteram a soma das marcas
dos respectivos lugares.
b) Componentes repetitivos, invariantes de transição
Em dualidade com os invariantes de marcação estão os invariantes de transição
(
transition invariants
).
As transições invariantes representam seqüências de disparos que reinicializam
uma marcação. Eles realçam a componente cíclica de um processo.
Com o propósito de aprimorar o entendimento desta propriedade considera-se
como exemplo a sub-rede da figura 2.8, composta pelas transições t
3
e t
4
juntamente com seus
lugares de entrada e saída (P
3
, P
4
e P
5
). Deve-se observar que o disparo da seqüência s = t
3
t
4
a
partir da marcação inicial leva de volta à mesma marcação.
A referida seqüência s = t
3
t
4
é um invariante de transição, já que o disparo desta
seqüência não modifica a marcação da rede. O invariante de transição corresponde a uma
seqüência cíclica de eventos que pode ser repetida indefinidamente. O conjunto das transições
invariantes forma, por sua vez, um componente repetitivo estacionário da rede. A seqüência s
= t
1
t
2
da rede apresentada na figura 2.8 também é um invariante de transição.
33
2.5 Classificação das redes de Petri
Há várias maneiras possíveis de se classificar as redes de Petri, uma maneira
muito utilizada, consiste em agrupá-las quanto ao seu grau de abstração. Neste caso, pode-se
separa-las em RdP de baixo nível e de alto nível [25].
As RdP de baixo nível são aquelas cujo significado de suas marcas não são
diferenciáveis a não ser pela estrutura da rede à qual estão associadas. Elas ainda podem ser
subdivididas em Elementares e Lugar/Transição. As redes Elementares são extremamente
restritivas do ponto de vista de modelagem, pois permitem a existência de apenas uma marca
em cada elemento. As redes Lugar/Transição minimizam as restrições impostas pelas redes
Elementares, fundamentalmente, permitindo a utilização de mais de uma marca em cada
elemento da rede.
As redes de alto nível são aquelas cujas marcas incorporam alguma semântica,
viabilizando sua diferenciação. Esta semântica pode ir desde a atribuição de valores ou cores
às marcas, até a adoção de noções de tipos de dados abstratos, conferindo-lhes um grande
poder de expressão. A principal característica das redes de alto nível [26], comparativamente
às redes elementares, é que nas de alto nível as marcas apresentam condições puramente
booleanas e na outra as marcas representam dados individualizados. Os dois principais
modelos de redes de alto nível são as redes Predicado/Transição, que se baseiam na lógica de
predicados de primeira ordem, e as redes Coloridas, as quais originalmente foram orientadas a
representações algébrico-lineares [25].
Além destas categorias têm-se extensões, as quais podem ser aplicadas tanto em
redes de baixo nível quanto de alto nível. As principais extensões visam a inclusão de
hierarquias e de aspectos temporais às RdP.
34
2.5.1 Redes Elementares:
As redes de Petri elementares [27], [28] constituem a versão proposta para
sintetizar as diversas variações que surgiram sobre o modelo proposto por Petri em 1962,
conhecidas na literatura por redes Clássicas ou Condição/Evento, ainda conservam as
características originais das RdP.
Uma rede Elementar é uma quádrupla
RE = (P, T, F,
C
in
)
, onde se tem:
P = {p1, p2, ..., pm}é um conjunto finito de lugares,
T = {t1, t2, ..., tn} é um conjunto finito de transições,
F
⊆
(PxT)
∪
(TxP) é um conjunto de arcos (relação de fluxo),
C
in
é um caso inicial, que representa a situação dinâmica inicial do sistema,
imediatamente antes de ser acionado.
Portanto, a representação gráfica de uma rede Elementar consiste da notação
gráfica da rede subliminal acrescida da marcação do caso inicial, por meio de marcas. A esta
associação de uma estrutura topológica de rede com um conjunto de marcas denomina-se rede
marcada.
2.5.2 Rede de Petri Lugar/Transição
O grafo da rede Lugar/Transição é como o de qualquer outra RdP, direcionado
(arcos orientados) e bipartido (constituído por dois componentes, lugares e transição).
Entretanto, este grafo permite que pesos sejam atribuídos nos arcos que conectam um lugar a
uma transição ou vice-versa.
As principais características deste tipo de rede atribuem-se a quantidade de marcas
que cada lugar pode possuir e a ponderação dos arcos. A quantidade de marcas está associada
a uma capacidade k, onde k é o número máximo de marcas que cada lugar suportará. Os arcos
35
ponderados são representados pelos pesos de cada arco, os pesos indicam quantas marcas
serão retiradas e (ou) inseridas no lugar com o disparo da transição à qual o arco é excedente.
Desta forma, se o peso (valor inteiro positivo) de um arco for igual a Q, pode-se, interpretar
que há um conjunto de Q arcos ligando dois componentes distintos. Atribuindo pesos aos
arcos é possível aumentar o poder de modelagem das RdP.
Devido à inserção de pesos nos arcos algumas restrições devem ser consideradas
para o disparo das transições associadas. Para que uma transição esteja habilitada a disparar, é
necessário que o número de marcas em cada lugar de entrada dessa transição seja superior ou
igual ao peso do arco que conecta o lugar à transição em questão. Se tal condição se verificar
e a transição disparar, é subtraído de cada lugar de entrada, um número Q de marcas, idêntica
ao peso do arco que liga o lugar a transição. Analogamente, a cada lugar de saída é adicionado
um número de marcas igual ao peso do arco que conecta a transição ao lugar.
Para exemplificar uma RdP Lugar/Transição, modelou-se a fórmula do perímetro
(soma dos lados) para um triângulo isósceles (possui a mesma medida para apenas dois
lados). Assim um triângulo isóscele, com um dos lados iguais medindo “a” e o outro medindo
“b”, tem seu perímetro dado por P = 2a + b. Aplicando-se a modelagem em RdP para a
fórmula do perímetro (P), obtém-se o modelo apresentado na figura 2.9, que mostra quando
uma transição está habilitada e a marcação resultante após o seu disparo.
Figura 2.9: Representação do Disparo de uma Rede de Petri Lugar/Transição.
2
Transição habilitada
a b
P
2
Transição não habilitada
a b
P
2
Marcação antes do disparo
a b
P
2
Marcação após o disparo
a b
P
t
1
t
1
t
1
t
1
36
Observa-se na figura 2.9 que as medidas dos lados (a e b) e do perímetro (P) do
triângulo são representadas por lugares, enquanto que a adição é representada pela transição
t
1
. Com o disparo da transição t
1
é obtida a medida do perímetro, visto que duas marcas são
retiradas do lugar “a” e uma de “b”, assim P=2a+b.
De acordo com os conceitos já apresentados, tem-se que uma RdP
Lugar/Transição pode ser definida formalmente como uma quíntupla, RdP = (P,T,F,W,M
0
)
[22], onde:
P = {p1, p2, ..., pm}é um conjunto finito de lugares,
T = {t1, t2, ..., tn} é um conjunto finito de transições,
F
⊆
(PxT)
∪
(TxP) é um conjunto de arcos (relação de fluxo),
W: F {1, 2, 3, ...}é uma função de peso,
M
0
: P→ {0, 1, 2, 3, ...}é a marcação inicial e
P
∩
T = Ø e P
∪
T
≠
Ø
Para um grande número de sistemas reais, é lícito pensar-se que cada lugar tenha
um limite superior para o número de marcas que pode conter. Por exemplo, uma sala de aula
tem um número limite de alunos, um estacionamento tem um número limite de carros.
Entretanto nos exemplos dados e nas metodologias de modelagens desenvolvidas não se
considerou a capacidade limite de cada lugar. Entretanto a RdP Lugar/Transição possibilita
limitar a capacidade dos lugares, indicando o número máximo de marcas que cada lugar
deverá possuir.
2.5.3 Redes de Petri Colorida
Nas RdP de baixo-nível existem apenas um tipo de marca, o que não permite a
diferenciação de recursos em um lugar, sendo necessários lugares distintos para expressar
recursos similares.
37
O objetivo das RdP Coloridas é promover a redução do tamanho do modelo,
permitindo que marcas individualizadas (cores) representem diferentes recursos em uma
mesma sub-rede.
Inicialmente, as marcas das redes Coloridas eram representadas por cores. Em
trabalhos mais recentes, as marcas são representadas por estruturas de dados complexas,
definidas como tipos de dados e é possível efetuar operações complexas sobre estes dados.
2.5.4 Extensões
Nesta subseção apresentam-se as extensões mais significativas das redes de Petri,
quais sejam, as extensões hierárquicas e as temporizadas. Ambas extensões podem ser
aplicadas tanto em redes de baixo nível quanto de alto nível.
a) RdP com Arcos Inibidores
Quando duas transições estão em conflito, a priorização é um problema comum
em uma RdP. Para dar solução ao mesmo, aumentando assim o poder de modelagem das RdP
foram criados os arcos inibidores.
Um arco inibidor é um arco dirigido que une um lugar P
i
a uma transição t
j
.O
extremo final é marcado por um círculo pequeno como mostrado na figura 2.10. O arco
inibidor entre P
2
e t
4
significa que a transição t
4
pode disparar se o lugar P
2
não contém
nenhuma marca. O disparo de t
4
consiste em tomar uma marca de cada lugar de entrada de t
4
,
com exceção de P
2
, e depositar uma marca em cada lugar de saída de t
4
. As expressões teste
zero e RdP estendidas são freqüentemente usadas na literatura [23], para se referir aos arcos
inibidores.
38
Figura 2.10: Rede de Petri com Arco Inibidor [23].
b) Redes de Petri Contínuas
A característica principal em relação às RdP Ordinárias é que a marcação de uma
posição é um número real (positivo) e não mais um inteiro. Sendo o disparo de uma transição
realizado como um fluxo contínuo. Estas redes representam sistemas que não podem ser
modelados por RdP Ordinárias, obtendo um modelo muito apropriado quando o número de
marcações da RdP Ordinária torna-se muito grande
d) Redes de Petri Sincronizadas.
Em uma RdP autônoma, sabe-se que uma transição pode ser disparada se ela é
habilitada, mas não sabemos quando ela será disparada. No caso da RdP Sincronizada, um
evento é associado a cada transição e o disparo desta transição acontecerá se a transição
estiver habilitada e quando o evento associado ocorrer.
A figura 2.11, por exemplo, representa os estados de um motor. Esta é uma RdP
Sincronizada porque os disparos das transições são sincronizados sobre eventos externos (o
evento externo corresponde a uma mudança no estado do mundo externo).
Figura 2.11: Rede de Petri Sincronizada [23].
e) Rede de Petri T-Temporizada
t
1
P
2
P
1
P
3
t
2
t
3
t
4
E1
t
1
t
2
P
1
P
2
E2
Motor
em
Estado Parado
Motor
em
Movimento
Evento E1= ordem de início
Evento E2= ordem de parar
39
Apresentada por Ramchandani [29] em sua tese de Doutorado em 1973 no MIT, a
RdP T-Temporizada associa a cada transição da rede um único parâmetro temporal (sua
duração de disparo).
Um tempo d
j
, possivelmente de valor zero, é associado com cada transição t
j,
neste
caso uma marca deverá ser reservada durante um intervalo d
j
para permitir o disparo de uma
transição. Considerando que o exemplo da figura 2.12 (a) é modelado por uma RdP T-
Temporizada, onde uma marca pode ter dois estados: ou ela pode ser reservada para o disparo
de uma transição tj ou ela pode ser não-reservada. Somente marcas não reservadas são
consideradas para habilitar condições. Na figura 2.12 (b), a transição t
1
está habilitada porque
todas as marcas são não-reservadas no tempo inicial. Após o disparo de t1 existe então uma
marca reservada em P
2
, e uma marca não-reservada em P
1
. A transição t
2
está habilitada. A
marca em P
2
está então reservada para o disparo de t
2
, e este disparo acontecerá 5 unidades de
tempo depois, já que d
2
= 5.
Figura 2.12: Rede de Petri Temporizada [23].
_
=
Tempo de Serviço = 5
Tempo de Serviço = 8
Buffer B1
Buffer B2
Máqui
na A1
Um Servidor
Máquina A2
Dois Servidores
(a)
P1
P’2
P2
t
1
t
2
t
3
d1=0
P3
d3=8
d2=5
(b) RdP T-Temporizada
P1
P’2
P2
t
1
t
2
t
3
d1=0
P3
d3=8
d2=5
d'2=0
(c) RdP P-Temporizada
40
Em outras palavras, desde que uma transição torna-se habilitada, seu disparo
absorve as marcas correspondentes aos seus lugares de entrada, as quais permanecem na
transição durante o tempo da execução do disparo. Quando a duração do disparo termina,
então as marcas são depositadas em cada lugar de saída da transição.
f) Rede de Petri P-Temporizada
Contrário ao modelo de Ramchandani [29], associa a cada lugar um tempo,
possivelmente de valor zero. Quando uma marca é depositada no lugar, a mesma deverá
permanecer no mínimo um tempo neste lugar (esta marca é dita ser indisponível por este
tempo). Quando o tempo decorreu, as marcas então tornam-se disponíveis. Somente marcas
disponíveis são consideradas para habilitar condições. A figura 2.12 (c) mostra um exemplo
de rede P-Temporizada.
Das classificações de RdP existentes, nas quais algumas delas foram apresentadas
nesta seção, utilizou-se para o desenvolvimento deste trabalho o tipo Lugar/Transição, por
oferecer características que atendessem as necessidades iniciais deste trabalho, além de ser o
único tipo de RdP tratado (modelado) pelo ambiente PIPE, este gera o código PNML, no
formato XML, do modelo gráfico da RdP. A descrição PNML permite a análise de toda a rede
e possibilita que o modelo da RdP seja interpretado e utilizado pelas ferramentas
desenvolvidas neste trabalho.
41
3
F
ERRAMENTAS
C
OMPUTACIONAIS
U
TILIZADAS NO
P
ROJETO
Neste capítulo são abordadas as ferramentas computacionais empregadas nos
quatro ambientes de síntese digital desenvolvidos neste trabalho, para validar as metodologias
de modelagem.
Na seção 3.1 são expostos conceitos elementares sobre a linguagem de descrição
de hardware VHDL, procurou-se enfatizar as vantagens proporcionadas pelo uso da
linguagem, além dos tipos de descrições e construtores utilizados nos modelos VHDL gerados
nos arquivos de saída, por parte dos ambientes desenvolvidos. Para encerrar esta subseção
realizou-se uma comparação entre a descrição comportamental e RTL, com o objetivo de
destacar as diferenças existentes entre elas.
Em seguida são apresentados todos os programas utilizados por alguns dos
ambientes desenvolvidos neste trabalho. Em particular, são citados programas desenvolvidos
por outros membros de nosso grupo de pesquisa.
Finalmente apresenta-se o ambiente PIPE [30], utilizado para modelar FSM dos
modelos de Mealy ou Moore em RdP Lugar/Transição, através das metodologias de
modelagem propostas nesta dissertação.
3.1 VHDL
VHDL é uma linguagem utilizada para descrever sistemas eletrônicos digitais.
Originalmente seu propósito foi apenas para especificar
hardware
, atualmente ela é bem mais
ampla, sendo utilizada para simulação e síntese [31].
42
Surgiu a partir de um programa de Circuitos Integrados de Velocidade Muito Alta
(VHSIC), financiado pelo Departamento de Defesa Americano (1980). No curso do programa
houve um esforço para padronizar as descrições das estruturas e funções de Circuitos
Integrados (IC’s). Posteriormente, a Linguagem de Descrição de
Hardware
VHSIC foi
desenvolvida e tornou-se um padrão do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos
(IEEE) dos EUA.
Como toda linguagem de descrição de
hardware
, VHDL possui duas principais
aplicações: documentação e modelagem de projeto [32].
Uma boa documentação ajuda a garantir a precisão e a portabilidade de um
projeto, enquanto a modelagem é usada para validar o projeto. A validação, neste caso, é
obtida através da simulação, a qual vem rapidamente substituindo o custoso processo de
prototipação [32].
Sendo assim a descrição de um sistema em VHDL apresenta inúmeras vantagens,
tais como:
a. Os projetos em suas fases iniciais podem ser desenvolvidos em nível alto
de abstração, independentes da tecnologia (implementação física);
b. O objetivo do projeto fica mais claro que na representação por
esquemáticos, nos quais a implementação se sobrepõe à intenção do
projeto [33];
c. Os projetos são fáceis de serem modificados [31];
d. O volume de documentação diminui, já que um código bem comentado em
VHDL substitui o esquemático e a descrição funcional do sistema [33];
e. Permite através de simulação verificar o comportamento do sistema digital
[31];
f.
Reduz, consideravelmente, o tempo de projeto e implementação [31];
43
Quanto às desvantagens apenas uma é relevante: a VHDL não gera um
hardware
otimizado.
3.1.1 Estrutura de um programa VHDL
A estrutura básica de um programa VHDL, baseia-se em três blocos:
package
,
entity
,
achitecture
.
Cada módulo em VHDL tem sua própria
entity
e
architecture
. As arquiteturas
podem ser descritas tanto em nível comportamental quanto estrutural ou uma mistura desses
níveis, a arquitetura é responsável por definir os componentes ou comportamento da entidade
(
entity
) e suas conexões. Assim o bloco “
architecture
” especifica o aspecto funcional do
modelo.
Toda a comunicação ocorre através das portas (
port
) declaradas em cada entidade,
observando-se o tipo, tamanho, se trata de sinal ou barramento e a direção. A lista “
port
” é
responsável por definir os sinais externos. Assim as
entity
declaram as interfaces do projeto
(pinos de entrada e saída).
Nos pacotes são declarados tipos de dados e subprogramas, e constantes, com o
objetivo de reutilização do código.
A figura 3.1 apresenta a estrutura básica de um programa descrito em VHDL.
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.all;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.all;
PACKAGE
(BIBLIOTECAS)
ENTITY
exemplo
IS
PORT (
< descrição dos pinos de entrada e saída >
);
END
exemplo;
ENTITY
(PINOS DE I/O)
ARCHITECTURE
teste
OF
exemplo
IS
BEGIN
PROCESS(
<pinos de entrada e signal >
)
BEGIN
< descrição do circuito integrado >
END PROCESS
;
END
teste;
ARCHITECTURE
(ARQUITETURA)
Figura 3.1: Representação da estrutura básica de um programa descrito em VHDL.
44
Resumidamente, a função de uma entidade é determinada pela sua arquitetura,
desta forma, podem ser definidas múltiplas arquiteturas para a mesma entidade.
3.1.2 Principais Construtores
Apresentam-se nesta subseção alguns dos construtores da linguagem VHDL, que
são utilizados pelos ambientes de síntese desenvolvidos, estes ambientes são responsáveis por
gerar o código VHDL da FSM modelada em RdP. Os construtores citados são: atribuição de
sinal, comparações lógicas e estruturas de decisões lógicas.
3.1.2.1 Atribuição de Sinal
As atribuições de sinais em VHDL são feitas normalmente com o operador “<=“,
por ser tratado analogamente a um pino de entrada e saída. Na atribuição de sinais pode-se
adicionalmente gerar um atraso programado através da palavra-chave “
after
”. No exemplo: y
<=
not
x a
fter
5ns. O sinal y recebe o valor negado de x após um atraso de 5ns.
A estrutura flexível da VHDL permite a atribuição de valores em processos
vinculada a uma ou mais condições, ou seja, a atribuição só se efetivará se uma condição (ou
conjunto de condições) for verdadeira. Para se realizar esta operação em uma atribuição deve-
se utilizar a palavra-chave
when
, seguida da condição que se deseja verificar para a validade
da atribuição. Na figura 3.2, tem-se listada parte da descrição de um comparador binário para
palavras de quatro bits, utilizando-se este recurso. Nota-se que o sinal de saída
equals
receberá um valor de acordo com a condição dos pinos “a” e “b”. Caso o sinal no pino “a”
seja igual ao presente em “b”, o pino
equals
receberá o bit 1, caso contrário receberá o bit 0.
Figura 3.2: Atribuição de sinal para várias condições.
equals <= ‘1’ when (a=b)
else ‘0’;
45
É importante destacar que os sinais podem ser declarados dentro das seções de
uma entidade, arquiteturas e pacotes. Sinais dentro de pacotes são também referenciados
como sinais globais porque podem ser compartilhados entre as entidades.
3.1.2.2 Comparações e Operações Lógicas
As comparações lógicas utilizadas na linguagem VHDL estão apresentadas na
tabela 3.1 e são semelhantes às utilizadas em outras linguagens de programação.
Tabela 3.1: Representa os operadores de comparação e os tipos de operadores [34].
Operador Operação
Tipo do operador
da esquerda
Tipo do operador da
direita
Tipo do resultado
= Igualdade Qualquer Qualquer Boolean
/= Desigualdade Qualquer Qualquer Boolean
< Menor que Escalar ou array Escalar ou array Boolean
<= Menor ou igual Escalar ou array Escalar ou array Boolean
> Maior que Escalar ou array Escalar ou array Boolean
>= Maior ou igual Escalar ou array Escalar ou array Boolean
O símbolo “<=” é utilizado na linguagem VHDL para duas funções distintas, uma
função é a atribuição de sinal e a outra, comparação lógica de dois elementos. Ao utilizar o
símbolo para atribuição de sinal, a variável localizada a sua esquerda deverá estar declarada
dentro do código como uma porta ou um sinal de saída. Quando utiliza-lo para comparação os
elementos da sua esquerda e direita deverão ser declarados como portas ou sinal de entrada,
estes elementos serão apenas dos tipos escalares ou vetores.
Em VHDL também são utilizadas algumas operações lógicas, estas estão
representadas na tabela 3.2.
46
Tabela 3.2: Representa os operadores das operações lógicas e os tipos de operadores [34].
Operador Operação
Tipo do operador
da esquerda
Tipo do operador da
direita
Tipo do resultado
and Lógica AND
Bit, boolean ou
array (bit, boolean)
Bit, boolean ou array
(bit, boolean)
Boolean
or Lógica OR
Bit, boolean ou
array (bit, boolean)
Bit, boolean ou array
(bit, boolean)
Boolean
nand
Lógica AND
negada
Bit, boolean ou
array (bit, boolean)
Bit, boolean ou array
(bit, boolean)
Boolean
nor Lógica OR negada
Bit, boolean ou
array (bit, boolean)
Bit, boolean ou array
(bit, boolean)
Boolean
xor
Lógica OR
exclusivo
Bit, boolean ou
array (bit, boolean)
Bit, boolean ou array
(bit, boolean)
Boolean
xnor
Lógica XOR
negada
Bit, boolean ou
array (bit, boolean)
Bit, boolean ou array
(bit, boolean)
Boolean
3.1.2.3 Estruturas de Decisões Lógicas
Nesta subseção serão apresentadas as estruturas de decisões lógicas que podem ser
utilizadas no escopo de um processo, estrutura
If e Case
. Elas possuem um estilo semelhante à
sintaxe de outras linguagens de programação.
a) Estrutura IF
Em aplicações onde o estado de alguma variável (ou conjunto de variáveis)
determina as operações que devem ser realizadas é muito comum o uso da estrutura
If
. A
forma mais simples de utilização é através da estrutura
If-Then-End if,
como apresentado na
figura 3.3, onde a condição (x < 10) é testada para permitir a operação necessária. Se a
condição for verdadeira, “b” é atribuído à variável “a”, caso contrário nada é feito.
Figura 3.3: Estrutura If-Then-End if [34].
Em alguns casos é desejado realizar-se uma operação (ou seqüência de operações)
para quando a condição for verdadeira e outra quando a condição for falsa, utilizando desta
forma a estrutura
If-Then-Else-End if
.
IF (x < 10) THEN
a := b;
END IF
47
Outra variação desta estrutura consiste na utilização da palavra chave
Elsif
, que
funciona como uma nova estrutura de comparação dentro da estrutura
If
corrente. São
possíveis tantos
Elsif
quantos forem necessários para refinar as comparações. Observe a figura
3.4, onde a estrutura
Elsif
é utilizada para comparar o valor da variável
input
. Caso
input
for
igual a 1 o sinal
State
recebe S0, caso
input
seja igual a 0 o sinal
State
recebe S1.
Figura 3.4: Utilizando a estrutura Elsif .
b) Estrutura CASE
Outra estrutura de comparação de valores para seleção de operações é a estrutura
Case-is-When-End Case.
Esta estrutura é mais utilizada para aplicações onde uma
determinada variável pode assumir um número limitado de valores, cada qual associado a um
conjunto de operações.
Para se implementar a função “ou” em estruturas
Case
usa-se o caracter “|”.
Para a área de sistemas digitais a grande utilidade da estrutura
Case
é na
implementação de máquinas de estado. Para exemplificar seu uso, considere-se a máquina de
estados do tipo Moore, mostrada na figura 3.5, utilizando a estrutura apresentada nesta
subseção. Os estados S0 e S1 da máquina fornecem saídas de valores 0 e 1 respectivamente.
Qualquer entrada em S0 deslocará a máquina para o estado S1. Estando neste estado, se a
máquina perceber entrada de valor lógico 0 ela permanecerá em S1 caso contrário irá para o
estado S0.
Figura 3.5: Máquina de Estados [33].
IF input = ‘1’ THEN
State <= S0;
ELSIF input = ‘0’ THEN
State <= S1;
END IF;
input = ‘0’ ou ‘1’
input = ‘1’
input = ‘0’
S0/0 S1/1
48
Na figura 3.6 é apresentada a descrição VHDL, da máquina apresentada na figura
3.5. Nota-se que a estrutura
Case
apresentada na figura 3.6 está dentro de um processo
sincronizado, indicado pelo comando
Process(clk)
, o que normalmente é subentendido em
máquinas de estados. A
Case
controla a mudança de estados da máquina conforme o tipo do
sinal
state
, assim quando o
sinal for igual a S0 será atribui a este o tipo de estado S1, caso
state
e a entrada identificada, sejam S1 e 1 respectivamente o
state
receberá S0, caso contrário
será atribuído ao sinal o estado S1. Sendo assim, a estrutura
Case
orienta a mudança de
estados, que só é realizada quando o evento clk ocorrer, que é representada pela instrução
ELSEIF (clk’EVENT AND clk=’1’).
Figura 3.6: Descrição da máquina de estados da figura 3.5, utilizando o comando Case [35].
3.1.3 Descrição RTL
Uma descrição nível de transferência entre registradores (RTL –
Register Transfer
Level
) é caracterizada por um estilo que especifica todos os registradores de um projeto e a
ENTITY state_machine IS
PORT (
clk : IN BIT;
input : IN BIT;
reset : IN BIT;
output : OUT BIT);
END state_machine;
ARCHITECTURE a OF state_machine IS
TYPE STATE_TYPE IS (S0, S1);
SIGNAL state : STATE_TYPE;
BEGIN
PROCESS (clk)
BEGIN
IF reset = ‘1’ THEN
state <= S0;
ELSIF (clk’EVENT AND clk = ‘1’) THEN
CASE state IS
WHEN S0 =>
state <= S1;
WHEN S1 =>
IF input = ‘1’ THEN
state <= S0;
ELSE
state <= S1;
END IF;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
output <= ‘1’ WHEN state = S1 ELSE ‘0’;
END a;
49
lógica combinacional entre eles. O estilo da descrição RTL é mostrado na figura 3.7 pelo
diagrama “nuvem e registrador” [36]. Entretanto o “objeto nuvem”, referenciado na figura
3.7, representa apenas a lógica combinacional, mas na prática está não é a representação
convencional de nenhum circuito.
Figura 3.7: Diagrama nuvem e registrador[35].
O projetista quando utiliza a descrição RTL está preocupado em como os dados
fluem entre os registradores. Desta forma, o projeto contém informações sobre a arquitetura,
mas não contém detalhes sobre a tecnologia.
A lógica combinacional é descrita na implementação VHDL por equações lógicas,
indicações de controle seqüencial (
Case, If then Else, etc
.), subprogramas, ou através de
indicações concorrentes, esta lógica é representada pelo objeto “nuvem” entre os registradores
da figura 3.7. Resumidamente pode-se dizer que a descrição RTL foca a implementação.
As descrições RTL são usadas para sincronizar projetos e descrever o
comportamento do projeto a cada ciclo de relógio do sistema.
Neste tipo de descrição, os valores de saída são atribuídos diretamente, através de
expressões lógicas.
Na figura 3.8 é dado um exemplo de descrição RTL, esta representa um
comparador binário para palavras de quatro bits [31].
Figura 3.8: Descrição RTL para o comparador binário de palavras de quatro bits [31].
Entity comp4 is
port ( a, b: in bit_vector (3 downto 0);
equals: out bit);
End comp4;
Architecture RTL of comp4 is
Begin
equals <= ‘1’ when (a=b) else ‘0’;
End RTL;
Dados de saída
Dados de Entrada
Registrador
Registrador
CLK CLK
Clock
Lógica
Combinacional
50
3.1.4 Descrição Comportamental
O nível mais alto de descrição de um sistema é o comportamental. Neste caso o
projeto é descrito sem especificar a arquitetura ou os registradores, sendo assim, o projeto
pode ser descrito em termos das funcionalidades desejadas, sem a necessidade de se entrar em
detalhes de implementação. Resumidamente, tem-se, que a VHDL comportamental foca o
comportamento.
Projetar um sistema utilizando-se da descrição comportamental é similar a
programar em outra linguagem de programação, por exemplo, linguagem C. Portanto, esta é a
forma mais flexível e poderosa de descrição. São definidos processos concorrentes (
process
),
sendo que a cada processo é associada uma lista de sensibilidade, que indicam quais são as
variáveis cuja alteração deve levar à reavaliação da saída.
No simulador funcional, quando uma variável da lista é modificada, o processo é
simulado novamente.
O código da figura 3.9 representa a descrição comportamental de um comparador
binário para palavras de quatro bits [33]. Observa-se na figura 3.9 que o comando
process
esta
associado à lista de sensibilidade
(a,b), esta lista indica que as variáveis a e b serão analisadas
para a alteração da saída representada pela variável
equals
.
Figura 3.9: Descrição comportamental para o comparador binário de palavras de quatro bits [33].
Entity comp4 is
port (a, b: in bit_vector (3 downto 0);
equals: out bit);
End comp4;
Architecture comport of comp4 is
Begin
comp: process (a,b) -- lista de sensibilidade
Begin
If a = b then
equals <= ‘1’ ;
Else
equals <= ‘0’ ;
End If;
End process comp;
End comport;
51
3.1.5 Características das Descrições RTL e Comportamental
Nesta seção são apresentadas as características pertinentes às descrições RTL e
comportamental [37]:
a. A maioria das ferramentas de síntese que existem hoje requer que a
descrição de circuitos esteja escrito em RTL, está é a razão para a RTL ser
tão importante, nesse nível o projetista ainda mantém controle sobre a
arquitetura dos registradores do projeto;
b. Por outro lado, as ferramentas de síntese comportamental geram
automaticamente arquiteturas de portas lógicas e de registradores direto de
uma descrição comportamental;
c. Descrição comportamental é mais rápida de descrever e mais simples.
d. Descrição comportamental aumenta desempenho da simulação.
e. Geralmente precisa-se escrever projeto de FPGA ou PLD em RTL para
usar as ferramentas de síntese disponíveis;
f. O nível comportamental é usado para criar estruturas de estímulos, para
modelar partes padrão do projeto, ou para criar especificações simuláveis
do seu sistema;
g. Algumas estruturas geralmente não utilizadas em descrição RTL, porém
úteis em código comportamental são: funções e procedimentos, tipo
string
e
time
, arquivos, registros, matrizes, listas, ponteiros e alocação dinâmica.
Atualmente, as descrições são feitas utilizando conjuntamente os níveis RTL e
comportamental para dar maior flexibilidade ao projetista. E para isso os fabricantes já
dispõem de ferramentas de síntese lógica que suporta esses dois níveis de descrição (se for
necessário o de portas lógicas também).
52
3.2 Programa Algoritmo Genético com Propriedades de Substituição
(AGPS)
O programa AGPS elaborado por Santos [38] em sua dissertação de mestrado, foi
utilizado neste trabalho para realizar a alocação dos estados das FSM modeladas em RdP.
Assim tem-se que o AGPS desenvolvido em linguagem de programação C, emprega métodos
do algoritmo genético em sua implementação.
Em geral, um algoritmo genético básico consiste nos seguintes passos [38]:
a. Codificação, forma como a solução é representada;
b. Geração de uma população inicial aleatória;
c. Cálculo do custo de cada indivíduo (solução);
d. Seleção dos indivíduos que irão participar da produção da próxima
geração e
e. Operador mutação que realiza uma modificação aleatória nos indivíduos
para assegurar que o algoritmo não fique preso em um mínimo local.
Assim o algoritmo genético desenvolvido para o programa AGPS, realiza a
alocação de estados em máquinas incompleta ou completamente especificadas.
Na figura 3.10 é apresentado o fluxograma que ilustra o comportamento do
programa AGPS, desde o início da sua execução até o seu final, verificando as condições
necessárias para executar cada etapa. No fluxograma da figura 3.10 os retângulos de cantos
arredondados representam apenas o início e o fim da execução do programa, o losango indica
quais decisões serão tomadas conforme a condição imposta no mesmo, os retângulos com o
canto esquerdo cortado (cartão) lê o arquivo de entrada e gera o de saída. O círculo representa
o fim da condição que verifica se a propriedade de substituição (P.S.) é realizada. Os
53
processamentos realizados pelo AGPS, como cálculos, determinação de conjuntos e
verificação de informações são representados no diagrama por retângulos normais.
Figura 3.10: Fluxograma do Algoritmo Genético com Propriedade Substituição [38].
O programa AGPS deve ser executado a partir da linha de comando (modo texto)
do sistema operacional DOS. Tem-se o seguinte padrão de comando: genetico i [opção]
arq_entrada arq_saída. Sendo i a quantidade de iterações. A opção pode ser “A” para gerar o
grafo proposto por Amaral [38] ou “P” para considerar a propriedade substituição [38] na
geração do grafo.
O arquivo executável e de entrada do programa devem estar no mesmo diretório
na qual é feita a chamada ao programa.
A configuração do arquivo de entrada que o programa AGPS utiliza, deve possuir
extensão txt. O arquivo de saída possui extensão tab, tal arquivo é utilizado como entrada pelo
programa TABELA.
Início
Lê o arquivo
nome.txt
Verifica por qual modelo a
máquina foi descrita, Moore
ou Mealy.
Fim
Determina o conjunto
dos predecessores
o
Determina o conjunto
dos sucessores
o
Aplica
PS?
Encontra uma partição
π
com P.S.
Calcula os pesos dos
arcos
Calcula o custo de cada
indivíduo
Torna todos os
indivíduos factíveis
Calcula o custo de cada
indivíduo
Crossover
Realiza a seleção do tipo
torneio
Gera a população inicial
o
Critério de
parada foi
atendido?
Gera o arquivo
de saída
Sim
Sim
Não
Não
Substitui os novos
indivíduos na população
54
3.3 Programa TABELA
O programa TABELA, implementado por Silva [37] em sua dissertação de
mestrado, utilizado neste trabalho para sintetizar FSM modeladas em RdP Lugar/Transição,
obtém funções booleanas nas suas formulas mínimas.
Os dados solicitados pelo programa são:
a. nome do dispositivo de saída para os resultados (não deve conter extensão);
b. número de flip-flops;
c. tipo de cada um dos flip-flops ( podem ser do tipo D ou JK);
d. número de variáveis de entradas seguido pelo número de variáveis de saída;
e. Tabela de próximo estado, que deve conter os respectivos dados: estado atual,
próximo estado, entrada e saída. Os dados devem estar na mesma ordem em que foram
citados.
É importante salientar que os estados, as entradas e as saídas devem estar na
forma decimal. As máquinas podem ser incompleta ou completamente especificadas e podem
estar no modelo de Mealy ou Moore.
O programa gera a tabela de transição de uma máquina seqüencial a partir de seu
diagrama de estados, armazenando-a no arquivo de saída. A partir desta tabela são obtidos os
mintermos e os
don´t care states
das funções internas (controle) de todos os flip-flops e da
saída do circuito, ou seja, minimiza as funções de transições internas correspondentes aos
elementos de memória utilizados e as funções de saída do circuito.
Utilizando-se do algoritmo de Quine-McCluskey (Algoritmo de minimização de
funções booleanas) estas funções são obtidas nas suas formulas mínimas [39].
O diagrama de blocos do programa TABELA é apresentado na figura 3.11.
Observa-se que o diagrama ilustra o funcionamento do TABELA por intermédio de “blocos”,
55
onde os retângulos de cantos arredondados representam apenas o início e o fim da execução
do programa, os retângulos com o canto esquerdo cortado (cartão) indica os dados solicitados
pelo programa ao usuário. Os processamentos realizados pelo programa TABELA e seus
arquivos de entrada e saída, são representados no diagrama por retângulos normais.
Figura 3.11: Diagrama de blocos do programa TABELA [39].
Neste trabalho o arquivo de saída do programa AGPS é utilizado como arquivo de
entrada do programa TABELA e o arquivo de saída deste é usado pelo programa
TAB2VHDL como arquivo de entrada.
3.4 Programa TAB2VHDL
O programa TAB2VHDL desenvolvido por Tancredo [40], é uma ferramenta de
síntese, utilizada neste trabalho com o propósito de gerar a descrição otimizada na linguagem
VHDL do sistema modelado em RdP Lugar/Transição. É importante salientar que a descrição
gerada pelo programa TAB2VHDL auxilia o projeto de sistemas digitais e obtém somente a
Dados
Construção
da Tabela
Obtenção das
Funções
Combinacionais
Fim
Minimizaç
ão
das Funções
Fórmulas
Mínimas
Início
Tabela de
Próximo
Estado
Diagrama
de Estado
56
descrição VHDL do sistema modelado, e especificado a partir da sua descrição em diagrama
de transição de estados de uma máquina finita, apresentada no modelo de Mealy ou Moore.
O TAB2VHDL recebe como entrada a saída gerada pelo programa TABELA
(funções booleanas e registros do arquivo) e cria um modelo funcional do circuito projetado
no modelo RTL descrito em VHDL. Dessa forma, o arquivo contendo a descrição VHDL do
circuito poderá ser sintetizado por ambientes de sínteses comerciais e implementado na
tecnologia alvo desejada.
A figura 3.12 exibe o diagrama de blocos do programa TAB2VHDL. No
diagrama os retângulos de cantos arredondados representam o início e o fim da execução do
programa, os retângulos com o canto esquerdo cortado (cartão) indicam os dados solicitados
pelo programa ao usuário, os retângulos normais representam os arquivos de entrada e saída
utilizados e gerados pelo programa TAB2VHDL.
Figura 3.12: Diagrama de blocos do programa TAB2VHDL.
3.5 O editor PIPE
O PIPE (
Platform Independent Petri Net Editor
– Editor de Plataforma
Independente para Rede de Petri) [30] foi desenvolvido por um grupo de pesquisadores do
Departamento de Computação da Faculdade Imperial de Londres em dezembro de 2002 e
atualmente, é mantido pela James D. Bloom. Este software é conhecido como um editor
Início
Tabela de transição de uma
máquina seqüencial (Saída do
Programa Tabela).
Dados
Descrição
RTL
CódigoVHDL
(RTL)
Fim
57
multi-plataforma e tem como objetivo principal melhorar o suporte para modelar uma RdP.
Pode-se destacar como características próprias do PIPE.
a) Implementação em Java;
b) Disponibilidade do código fonte (open source) à comunidade de
programadores;
c) Plataforma independente;
d) Utiliza como formato padrão a PNML (Petri Net Markup Language) para
salvar e carregar as RdP;
e) A descrição da RdP é obtida em linguagem XML (eXtensible Markup
Language).
58
4
M
ETODOLOGIAS
D
ESENVOLVIDAS PARA
M
ODELAR
M
ÁQUINAS DE
E
STADOS
F
INITOS EM
R
EDES DE
P
ETRI
A modelagem de sistemas em RdP envolve a construção de um formalismo
gráfico e/ou matemático que expressa o comportamento do sistema modelado. Assim as RdP
garantem o poder de decisão, além de tratar processos concorrentes e paralelos, itens que não
são tratados pelas FSM, representadas por diagramas de estados [41]. Os diagramas de
estados têm como característica principal a unicidade do “próximo estado”, ou seja, nunca
habilita mais de um estado simultaneamente.
Nesta seção apresentam-se as duas metodologias desenvolvidas para a modelagem
de sistemas. Uma das metodologias desenvolvidas, denominada 4M, modela em RdP apenas
FSM do tipo Mealy e a outra metodologia, denominada 5M, modela em RdP máquinas de
Mealy ou Moore. As RdP são modeladas no ambiente PIPE utilizando os conceitos das
metodologias desenvolvidas. O PIPE possibilita representar graficamente uma RdP
Lugar/Transição e gera a descrição no formato XML obedecendo os padrões de descrição
PNML da rede esquematizada .
4.1 Metodologia de Modelagem para Máquinas de Mealy
Para modelar uma FSM do tipo Mealy em uma RdP equivalente, desenvolveu-se
uma Metodologia de Modelagem para Máquinas de Mealy, denominada 4M, a qual utiliza os
componentes básicos (lugares, transições e arcos) de uma RdP Lugar/Transição, da seguinte
forma:
59
a. Os lugares da RdP representam as entradas, saídas e estados da máquina de
Mealy;
b. As transições são responsáveis por realizar um evento ou uma mudança de
estado;
c. Os arcos da RdP são responsáveis por conectarem lugares que representam o
estado atual e a entrada à transição, e a transição aos lugares que representam o
próximo estado e a saída da máquina modelada.
Cada arco da máquina de estados do tipo Mealy representa uma mudança de
estado, neste mesmo arco são representadas a entrada e saída da máquina, portanto os lugares
que modelam o estado atual e a entrada são pré-condições para o disparo da transição (RdP)
que indica a mudança de estado, e os que modelam o próximo estado e a saída são pós-
condições dessa transição, isto é, são as condições resultantes da ação. A mudança de estado,
bem como o próximo estado atingido, depende tanto do estado atual quanto das entradas da
máquina. Dessa forma, ao representar as entradas, saídas e estados da máquina por lugares na
RdP ter-se-á que cada transição da rede apresentará dois lugares como pré-condições
(representando o estado atual e entrada do sistema) e outros dois como pós-condições
(próximo estado e saída) do seu disparo. O disparo de uma transição sempre terá dois lugares
como pré e pós-condições, independentemente da quantidade de entradas e saídas existentes
no modelo, pois cada transição controla apenas uma entrada e fornece uma única saída de
acordo com os estados atuais e próximos. O lugar que representa o estado atual é marcado,
inserindo-se uma marca no lugar que o representa, enquanto os demais lugares que
representam outros estados não são marcados na modelagem. As marcas nos lugares que
representam a entrada da máquina serão inseridas apenas durante a simulação da RdP.
Com intuito de apresentar a metodologia de modelagem 4M, escolheu-se uma
máquina de estados que representa um sistema capaz de detectar uma seqüência de três zeros
60
consecutivos sem sobreposição para uma seqüência lógica de zeros e uns. Para representar o
detector utilizou-se a máquina de Mealy mostrada na figura 4.1, através do seu diagrama de
estados. O estado inicial da máquina é o A. Se um caractere de nível lógico 1 chegar à
entrada, a máquina continuará no estado A e a saída será zero. Na figura 4.1 esta condição
está representada no arco que tem como origem o estado A e como destino o mesmo estado,
rotulado pelos caracteres “1/0”. Caso chegue à entrada um caractere 0, a máquina vai para o
estado B e a saída continuará sendo zero. O que é representado pelo arco com origem em A e
destino em B. Caso a máquina esteja no estado B, e chegue à entrada um caractere 0, a
máquina vai para o estado C e a saída continuará 0. No entanto, se a máquina estiver no
estado B e chegar à entrada um caractere com valor lógico 1, a máquina retorna ao estado A e
a saída será 0. Se a máquina estiver no estado C e a entrada seja 1, a máquina retorna ao
estado A e a saída será 0, esta condição está representada na figura 4.1 no arco que tem como
origem o estado C e como destino o A, rotulado pelos caracteres “1/0”. Se a máquina estiver
no estado C e a entrada seja 0, a máquina retorna ao estado inicial A e a saída será o caractere
1, indicando que a seqüência de três zeros consecutivos foi identificada, esta condição está
representada no arco rotulado pelos caracteres “0/1”, que tem como origem o estado C e
destino o A. A saída com valor lógico 1 será fornecida novamente somente quando forem
identificados mais três zeros consecutivos na entrada.
Figura 4.1: Máquina de Mealy para o detector de três zeros consecutivos sem sobreposição.
Na figura 4.2, apresenta-se a RdP Lugar/Transição correspondente a máquina
mostrada na figura 4.1, ou seja, uma RdP que detecta a entrada de três zeros consecutivos sem
sobreposição. Os lugares A, B e C mostrados na figura 4.2 representam os estados da máquina
A
B
C
0/0
1/0
0/0
0/1
1/0
1/0
Início
61
da figura 4.1 e os lugares E0, E1, S0, S1 representam as entradas de valores lógicos 0, 1 e as
saídas de valores 0 e 1 respectivamente.
As transições T0, T1, T2, T3, T4 e T5 são responsáveis pela evolução da rede, ou
seja, pela mudança de estados, obedecendo a suas pré e pós-condições.
Os arcos orientam o seguimento das marcas na RdP, que constituirá a “nova”
marcação, esta é responsável por indicar o estado atual da máquina, as entradas fornecidas
pelo usuário e as saídas geradas no decorrer da simulação.
Figura 4.2: Representação da FSM do tipo Mealy modelada em RdP Lugar/Transição.
Entretanto foi necessário estabelecer alguns critérios para denominar os lugares
que representam as entradas, saídas e estados da máquina, devido a utilização da descrição
PNML gerada pelo modelo da RdP da máquina modelada pelos programas PIPE2TAB4M,
PIPE2VHDL4M que geram a tabela de estados e a descrição VHDL. Assim os critérios
estabelecidos são os seguintes:
a. Cada um dos estados correspondentes à FSM do tipo Mealy devem ser
representados por um lugar específico na RdP. Os nomes atribuídos a esses lugares não
devem conter caracteres numéricos;
b. As entradas e saídas também devem ser representadas por lugares na RdP;
62
c. O nome do lugar que representa a entrada da máquina deve possuir o caractere
“E” como primeiro caractere, seguido de um número decimal que corresponde ao valor da
entrada, por exemplo, E0 representa a entrada de valor lógico 0;
d. O nome do lugar que representa a saída da máquina deve possuir o caractere
“S” como primeiro caractere, seguido de um número decimal que corresponde ao valor da
saída, por exemplo, S0 representa a saída de valor lógico 0;
e. O estado inicial da FSM deve ser destacado acrescentando-se somente uma
marca no lugar que o representa.
Todos os padrões estipulados anteriormente devem obrigatoriamente ser aplicados
para a modelagem de qualquer FSM do tipo Mealy, utilizando-se a metodologia de
modelagem 4M.
No caso da RdP Lugar/Transição apresentada na figura 4.2 os lugares S0 e S1 são
depósitos de marcas e E0 e E1 possuirão marcas apenas quando estas forem inseridas pelo
usuário durante a simulação. Assim a cada simulação são inseridas novas marcas nos lugares
E0 e E1 e com o disparo das transições as marcas serão retiradas desses lugares e inseridas
em S0 e S1. Assim os estados E0, E1, S0 e S1 são utilizados apenas para controlar as entradas
e saídas durante a simulação.
A fim de mostrar o funcionamento da RdP apresentada na figura 4.2, utilizar-se-á
o ambiente PIPE para realizar a simulação.
O PIPE além de simplificar e facilitar a modelagem da rede oferece alguns
atrativos na simulação. Toda simulação da rede, seja ela pseudo-aleatória ou controlada pelo
usuário, pode ser acompanhada pela documentação produzida pelo ambiente, esta é
apresentada no lado esquerdo da tela e indica todas as
transições disparadas durante a
simulação
.
63
Apresenta-se inicialmente a simulação pseudo-aleatória, ou seja, a realizada pelo
ambiente PIPE. Antes de ativar a simulação é necessário inserir marcas nos lugares que
representam as entradas do sistema, a adição de cinco marcas no lugar E0 e três no lugar E1
está ilustrada na figura 4.3.
Figura 4.3: Representando a adição de entradas realizada no software PIPE.
Dois passos são necessários para iniciar a simulação do sistema.
1
o
Acionar o botão para o modo animação;
2
o
Ativar o botão para o disparo pseudo-aleatório das transições. Neste passo é
necessário fornecer a quantidade de transições que se deseja disparar durante a simulação.
Os dois passos necessários para iniciar a simulação e o resultado da simulação
pseudo-aleatória para as entradas fornecidas estão ilustrados na figura 4.4. Observa-se que as
transições disparadas durante a simulação pseudo-aleatória são mostradas no final da
simulação no lado esquerdo na tela do ambiente PIPE em seu histórico de animação, a
seqüência das transições permite que o usuário identifique à seqüência lógica de entradas
utilizadas pelo PIPE durante a simulação. Cada transição está relacionada a uma única
entrada, este fato facilita a identificação da entrada através da análise do modelo da RdP. A
64
seqüência de transições disparadas é definida pelo ambiente PIPE conforme a simulação
realizada pelo mesmo.
Figura 4.4: Simulação pseudo-aleatória realizada pelo software PIPE.
Para disparar a transição T0 da figura 4.4 é necessária pelo menos uma marca nos
lugares A e E0 (representa a entrada de valor lógico 0), assim analisa-se que a primeira
entrada considerada na simulação pseudo-aleatória é de valor 0. Para disparar T2 os lugares
B e E0 têm que possuir pelo menos uma marca, assim a segunda entrada considerada durante
a simulação foi de valor 0. Fazendo essa análise para todas as transições apresentadas no
histórico da simulação pseudo-aleatória confere-se que a seqüência de entrada para este caso
específico foi 00010011. Observando o histórico da simulação é possível identificar uma
única seqüência de entradas, pois cada transição esta relacionada a somente uma entrada no
modelo e o disparo das mesmas são indicados em ordem de execução. Assim a simulação da
RdP da figura 4.4, gerou sete saídas com valor lógico 0 e uma saída com valor lógico 1.
A outra simulação apresentada é a controlada pelo usuário, esta por sua vez é mais
trabalhosa, pois exige que o usuário insira a cada instante uma marca no lugar que representa
a entrada desejada, obedecendo à seqüência que deseja seguir. Esta simulação é oposta à
pseudo-aleatória, onde o usuário não sabe qual a seqüência que será atribuída pelo ambiente.
1
o
2
o
65
Considerando que o lugar A (estado inicial) da RdP possua uma marca e que outra
seja inserida no lugar E0 (entrada de valor 0), habilitando a transição T0, conforme está
apresentada na figura 4.5. O ambiente atribui a cor vermelha às transições habilitadas, para
indicá-las.
Figura 4.5: Transição T0 habilitada.
Com o disparo de T0, que será efetuado selecionando-se a transição habilitada ou
pelo componente de disparo aleatório da transição (1), os lugares B e S0 (saída com valor
lógico 0) são marcados, como é ilustrado na figura 4.6.
Figura 4.6: Marcação nos estados B e S0 (saída 0) após o disparo de T0.
1
66
Após o disparo de T0 insere-se uma marca no lugar E1, habilitando a transição
T3. A figura 4.7 mostra a marca no lugar E1 e a transição T3 habilitada, destacada por um
triangulo a envolvendo vermelho.
Figura 4.7: Transição T3 habilitada.
Os lugares marcados após o disparo de T3 são A e S0, conforme a representação
da figura 4.8, onde o lugar S0 já possui duas marcas e A uma marca.
Figura 4.8: Marcação nos estados A e S0 (saída 0) após o disparo de T3.
67
Se posteriormente for inserida a entrada 0 observa-se, na figura 4.9 que a transição
habilitada é T0.
Figura 4.9: Transição T0 habilitada.
Com o disparo de T0 a RdP possuirá uma nova marcação. Na figura 4.10 nota-se
que o lugar B possui uma marca e S0 três marcas.
Figura 4.10: Marcação nos estados B e S0 (saída 0) após o disparo de T0.
68
Seguindo aos passos anteriores e inserindo consecutivamente as entradas 0 e 0 e
disparando as transições T2 e T4, uma marca será inserida em cada um dos lugares S0 e S1,
respectivamente. A figura 4.11 mostra o resultado da simulação para a seqüência de entradas
01000, definida pelo usuário.
Figura 4.11: Simulação final realizada pelo usuário para a seqüência 01000.
A nova marcação da RdP é constituída por uma marca nos lugares S1 e A e quatro
marcas no lugar S0, assim a simulação da RdP obteve uma saída de valor lógico 1 e quatro de
valor lógico 0.
O usuário possui outro modo de simulação, onde uma quantidade de marcas é
inserida em cada lugar, de acordo com a quantia de cada entrada desejada. A marcação
resultante habilitará uma ou mais transições, assim o usuário poderá escolher a que deseja
disparar de acordo com a entrada que a habilita, clicando sobre a transição escolhida.
Considerando a marcação da figura 4.3, tem-se que as transições T0 e T1 estão habilitadas, se
o usuário desejar que a entrada tenha valor lógico 0 ele disparará T0 caso contrário T1.
69
4.2 - Metodologia Desenvolvida para a Modelagem de Máquinas de Mealy
ou Moore
Com o estudo de alguns casos, observou-se que a metodologia descrita
anteriormente era inadequada para modelar FSM com muitos estados, pois eram utilizados
muitos arcos para ligar as informações necessárias para realizar apenas uma “ação” do sistema
especificado. Por exemplo, para modelar uma máquina simples como a da figura 4.1 com
apenas três estados uma entrada e uma saída são necessários 7 lugares, 6 transições e 24 arcos
para conectarem lugares a transições e vice-versa. Assim a metodologia 4M é inviável para
modelar uma máquina com 32 estados, 1 entrada e 2 saídas (caso do HDB3 -
High Desinty
Bipolar 3
[40]), pois seriam necessários 38 lugares, 64 transições e 128 arcos.
Sendo assim houve a necessidade de desenvolver uma nova metodologia que
minimizasse a quantidade de lugares e arcos, facilitando a modelagem de máquinas com
várias entradas, saídas e estados. Nesta seção apresenta-se a metodologia 5M (Metodologia
para Modelagem de Máquinas de Mealy ou Moore), desenvolvida com esta finalidade.
4.2.1 - Metodologia Desenvolvida para a Modelagem das Máquinas de Mealy
Na metodologia 5M a modelagem das máquinas de Mealy difere da metodologia
4M, apresentada na seção anterior, apenas na representação das saídas do sistema. Na 4M as
saídas são representadas por lugares na RdP, enquanto na 5M são representadas nas transições
da rede, pelo simples fato da saída da máquina de Mealy depender do estado atual e do valor
da entrada.
Nesta metodologia os estados e as entradas da FSM do tipo Mealy são
representados por lugares na RdP.
70
Tem-se que o estado atual e a entrada da máquina (representados por lugares na
RdP) são pré-condições para o disparo da transição e o próximo estado sua pós-condição. A
representação da transição se dá pelos caracteres “TX/SX”, “TX” indica que o componente da
rede é uma transição, o caractere X que acompanha o “T” corresponde ao número da
transição, este é determinado pelo ambiente PIPE, obedecendo a ordem que a transição foi
inserida na modelagem, ou seja, a primeira transição inserida é T0, a segunda T1 e assim por
diante. Os caracteres “SX” representam a saída, o caractere X será substituído por um
caractere numérico que corresponde ao valor lógico que representará o valor da saída. A barra
(/) é utilizada na terminologia de cada transição com o propósito de separar a representação da
transição e saída no modelo da RdP.
As transições na modelagem são responsáveis por realizar eventos na RdP, elas
são habilitadas conforme o estado atual e a entrada da máquina. Assim, quando uma transição
dispara, uma marca é retirada simultaneamente dos lugares que representam o estado atual e a
entrada, sendo uma nova marca inserida no lugar que representa o próximo estado, que após o
disparo passará a ser o estado atual da máquina.
Aplicando-se a metodologia de modelagem 5M para a máquina que detecta a
entrada de três zeros consecutivos sem sobreposição, obtém-se a RdP mostrada na figura 4.12.
Note-se que houve uma redução de cerca de 22% de elementos gráficos desta rede em relação
aos daquela da figura 4.2.
Define-se como elementos gráficos de uma RdP todos os lugares, transições e
arcos que a representam.
Os lugares A, B e C, da figura 4.12, representam os estados da máquina da figura
4.1 e os lugares E0 e E1 indicam as entradas de valores lógicos 0 e 1 respectivamente. A
transição fornece a saída da máquina de acordo com estado atual e a entrada. A transição
T1/S0 que conecta os lugares A e E0 ao lugar B corresponde ao arco da figura 4.1 que sai do
71
estado A com destino ao estado B, tendo como entrada e saída o valor lógico 0. Da mesma
forma a transição T0/S0 que conecta os lugares B e E1 ao lugar A corresponde ao arco da
figura 4.1 que sai do estado B para o A, tendo como entrada o valor lógico 1 e saída o valor
0. Assim cada transição da RdP corresponde a um arco do diagrama de estados.
Figura 4.12: Modelagem 5M para a máquina de Mealy do detector de três zeros consecutivos sem sobreposição.
Observa-se, na figura 4.12, que para a transição T1/S0 ser habilitada é necessário
que existam marcas nos lugares A e E0, sendo esta a pré-condição para o disparo de T1/S0.
Após o disparo dessa transição uma marca deverá ser inserida no lugar B que passará a
representar o estado atual da máquina, assim B é pós-condição do disparo de T1/S0. Todas as
transições encontradas na figura 4.12 possuem dois lugares como pré-condições e um lugar
como pós-condições de disparo.
A modelagem da máquina de Mealy em RdP é utilizada pelos programas
PIPE2TAB5M e PIPE2VHDL5M, responsáveis por gerar a tabela de estados e a descrição
VHDL da máquina modelada, desta forma, foi necessário estabelecer os seguintes critérios
para modelagem das máquinas de Mealy:
a. Os estados e entradas correspondentes à FSM do tipo Mealy devem ser
representados por lugares distintos na RdP;
b. As nomeações dos lugares que representam os estados da máquina não devem
possuir o caractere “E”, pois este é utilizado exclusivamente na nomeação dos
lugares que indicam as entradas da máquina;
72
c. As nomeações dos lugares que representam as entradas da máquina devem
obrigatoriamente possuir o caractere “E”, como primeiro caractere, seguido do
número decimal que representa o valor da entrada, por exemplo, “E1” representa a
entrada de valor lógico 1;
d. A saída da FSM do tipo Mealy deve ser representada na transição da RdP,
conforme seus lugares de entrada e saída, que representam o estado atual, a
entrada e o próximo estado da máquina. A nomeação da transição (saída)
obrigatoriamente deve possuir o caractere “TX” (X corresponde ao número da
transição inserida) nos primeiros caracteres e em seguida os caracteres “/SX” (X
representará o valor lógico da saída na forma decimal), por exemplo, “T5/S1”
representa a sexta transição (T5) inserida no grafo da RdP modelado no ambiente
PIPE, onde a saída de valor lógico 1 é indicada por S1;
e. Os valores lógicos que representam as entradas e saídas da máquina devem
estar expressos na forma decimal;
f. O estado inicial da FSM deve ser destacado acrescentando-se somente uma
marca no lugar que o representa na RdP.
4.2.2 - Metodologia Desenvolvida para a Modelagem das Máquinas de Moore
A metodologia 5M, desenvolvida para a modelagem das máquinas de Moore
utiliza o tipo RdP Lugar/Transição para modelar o funcionamento desse tipo de FSM. Nas
máquinas de Moore a saída depende somente do estado atual da máquina, assim sua
modelagem difere das máquinas de Mealy.
O diagrama de estados é uma forma de representar FSM do tipo Moore, na figura
4.13 é apresentado um exemplo de máquina de Moore, para o detector de três zeros
73
consecutivos sem sobreposição. O estado inicial da máquina é representado pelo caractere A,
este sempre fornece a saída de valor lógico 0. Se o caractere 1 chegar à entrada, e a máquina
estiver no estado A ela continuará no mesmo. Caso esteja em A e chegue à entrada um
caractere 0 a máquina vai para o estado B que sempre fornecerá saída 0. Se a próxima entrada
do estado B for 0 a máquina vai para o estado C que fornece saída 0. Estando em C e a
entrada for novamente 0 a máquina vai para o estado D que tem como saída o valor lógico 1.
Figura 4.13: Máquina de Moore para o detector de três zeros consecutivos sem sobreposição.
Observa-se, na figura 4.13, que as evoluções dos estados ocorrem de acordo com
a entrada, sendo que determinado estado sempre fornece uma saída fixa.
Para modelar as máquinas de Moore, utilizando a metodologia 5M é necessário
representar seus estados e entradas por lugares distintos na RdP. As saídas são indicadas
juntamente com os lugares que representam os estados da máquina.
A figura 4.14 mostra a modelagem em RdP Lugar/Transição para a FSM
apresentada na figura 4.13. Observa-se que os lugares que representam os estados (A, B, C,
D) da máquina são nomeados pelos mesmos caracteres alfabéticos, acompanhados pelos
caracteres (/S) e pela saída daquele estado, por exemplo, o lugar A/S0 da RdP ilustrada na
figura 4.14, representa o estado A da máquina que tem como saída o valor lógico 0, assim o
S0 indica a saída e a barra (/) separaram as representações do estado da saída.
Os lugares B/S0 e C/S0 correspondem aos estados B e C apresentados na figura
4.13, que fornecem saída 0. Sendo que o estado D, que fornece saída 1, é representado na RdP
pelo lugar D/S1.
As entradas são modeladas na RdP pelos lugares E0 (entrada com valor lógico 0)
A,0
B,0
D,1
C,0
0
0
0
0
1
1
1
74
e E1 (entrada com valor lógico 1).
Figura 4.14: Modelagem em RdP para a máquina de Moore do detector de três zeros consecutivos sem
sobreposição.
O lugar que representa o estado inicial da máquina é identificado pela inserção de
uma marca.
As transições na RdP são responsáveis por executar as ações ou mudanças de
estado da máquina de Moore. Os arcos conectam os lugares que representam o estado “atual”
e a entrada a transição e à transição ao “próximo” estado do sistema modelado. O disparo das
transições ocorre de acordo com estado atual em que a máquina se encontra e a entrada
fornecida. Na figura 4.14 observa-se, por exemplo, que a transição T5 é habilitada quando
existir uma marca no lugar B/S0 e no mínimo uma marca no lugar E1 que representa a entrada
de valor lógico 1. Após o disparo da transição T5 é marcado o lugar que representa o próximo
estado da máquina de Moore, neste caso o lugar marcado é o A/S0. Assim os lugares que
indicam o estado atual e a entrada são pré-condições para o disparo da transição e o lugar que
indica o próximo estado pós-condição.
Foi necessário estabelecer os seguintes critérios para a metodologia de
modelagem 5M, pois a descrição da RdP gerada pelo modelo é utilizada pelos programas
PIPE2TAB5M e PIPE2VHDL5M:
a. Cada um dos estados e entradas correspondentes à FSM do tipo Moore devem
ser representados por lugares distintos na RdP;
75
b. Os nomes dos lugares que representam os estados não devem possuir o
caractere “E”, pois este caractere é utilizado exclusivamente para nomear os
lugares que representam as entradas da máquina e não os estados;
c. Os nomes dos lugares que representam as entradas da máquina devem
obrigatoriamente possuir o caractere “E”, como primeiro caractere e depois um
número decimal que indica o valor lógico da entrada, por exemplo, E0;
d. A saída da FSM do tipo Moore deve ser indicada no mesmo lugar que seu
estado que a gera é representado. Os nomes dos lugares que representam o estado
e a saída devem obrigatoriamente possuir os caracteres “/S”, depois do nome do
estado indicado. A barra foi definida na metodologia de modelagem para separar a
representação do estado e da saída da máquina, por exemplo, “A/S0” representa o
estado A com saída de valor lógico 0. Sendo que a o valor lógico da saída tem que
estar obrigatoriamente em número decimal;
e. Não é necessário que os lugares que representam os estados da máquina sejam
nomeados apenas com caracteres alfabéticos;
f. O estado inicial da FSM deve ser destacado, acrescentando-se somente uma
marca no lugar que o representa na RdP;
As restrições impostas para a metodologia de modelagem 5M são essenciais para
a execução dos programas, sem nenhum problema.
4.3 - Comparação entre as Metodologias de Modelagem desenvolvidas
A quantidade de lugares para representar uma mesma FSM do tipo Mealy na
metodologia 5M é inferior ao da 4M, visto que na 4M as saídas da máquina são representadas
por lugares distintos na RdP e na 5M as saídas são representadas nas transições (máquinas de
76
Mealy) ou nos lugares (Máquinas de Moore). Conseqüentemente, a quantidade de arcos é
inferior, pois as saídas não são mais representadas por lugares distintos, não necessitando
assim de arcos que realizem a ligação entre as transições e os lugares de saída (saída da FSM).
Na metodologia 5M é fácil distinguir o tipo de FSM modelada, pois se a saída
estiver representada no mesmo lugar (RdP) que o estado da máquina modelada, tem-se uma
máquina do tipo Moore e se a saída estiver representa junto as transições da RdP a máquina
modelada será do tipo Mealy. Visto que apenas a metodologia 5M modela máquinas de Mealy
e de Moore.
Como na metodologia 5M não há um lugar específico que represente a saída da
máquina, torna-se mais difícil identificar a quantidade de saídas que cada valor lógico obteve
durante a simulação. Para obter esta informação é necessário analisar o histórico das
transições disparadas.
Na modelagem das máquinas de Mealy é possível saber a quantidade de saídas,
contabilizando as saídas indicadas no histórico do ambiente PIPE, visto que as saídas são
representadas juntamente com as transições. O PIPE produz o histórico de todas as transições
disparadas durante a simulação da rede.
Para identificar as saídas das máquinas de Moore modeladas em RdP, utilizando a
metodologia 5M, é mais complicado que a identificação das máquinas de Mealy, pois é
necessário observar as transições disparadas, referenciadas no histórico do ambiente PIPE e
analisar na RdP qual é o lugar que cada transição marca após o seu disparo, este lugar
representa o estado e a saída da máquina.
Apresenta-se na seção posterior os programas implementados com o intuito de
analisar as descrições obtidas pelas metodologias de modelagem 4M e 5M.
77
5
D
ESCRIÇÃO DO
F
UNCIONAMENTO DOS
P
ROGRAMAS
D
ESENVOLVIDOS
Descrevem-se nesta seção o funcionamento dos programas PIPE2TAB4M,
PIPE2VHDL4M, PIPE2TAB5M e PIPE2VHDL5M. Estes programas são considerados
ferramentas de síntese digital, pois possibilitam que as FSM modeladas em RdP
Lugar/Transição, por intermédio das metodologias de modelagem 4M ou 5M, sejam
representas em tabela de transição de estados ou em descrição VHDL comportamental.
Todos os programas foram desenvolvidos em linguagem de programação Python,
por esta ser gratuita, portátil, de tipagem dinâmica (não é necessário declarar variáveis), de
sintaxe clara e limpa.
5.1 Programas Desenvolvidos para a Metodologia 4M
Nesta subseção apresentam-se os programas denominados PIPE2TAB4M e
PIPE2VHDL4M, implementados para analisar a descrição PNML do modelo da RdP, gerado
pela modelagem da rede no ambiente PIPE, utilizando-se da metodologia de modelagem 4M.
5.1.1 Programa PIPE2TAB4M
O programa PIPE2TAB4M gera a tabela de transição de estados, através da
descrição PNML que representa a FSM modelada em RdP Lugar/Transição pela metodologia
4M.
78
Quando se executa o programa e, conseqüentemente, são passados os argumentos
solicitados, tais como endereço do arquivo de entrada e de saída, o programa abre o arquivo
de entrada para analisar a descrição PNML e cria o arquivo de saída para salvar a tabela
gerada. Caso ocorra algum erro durante o processo de abertura, criação de arquivos ou na
análise dos parâmetros do arquivo de entrada, o programa é encerrado sem realizar a geração
da tabela e fornece a mensagem do referido erro para o usuário.
Se não houver nenhum erro nos parâmetros o arquivo de entrada é analisado. Os
lugares descritos no código PNML dentro das etiquetas
<place id =
“rótulo do lugar”
>
e
</place>,
são os primeiros componentes analisados, pois pela identificação do valor
(nomeação atribuída aos lugares durante a modelagem) dos seus nomes, encontrado dentro
das etiquetas
<value>
e
</value>
, é possível computar as entradas, saídas e estados
existentes na FSM modelada em RdP Lugar/Transição.
Na figura 5.1 é ilustrado o trecho do código PNML que descreve os lugares da
RdP apresentada na figura 4.2. Observa-se na figura 5.1 que os lugares P2, P4 e P5
representam os estados da máquina, pois os valores atribuídos a esses lugares são A, B e C
respectivamente. Enquanto que os lugares P0 e P1 representam as entradas de valores lógicos
0 e 1, nomeados na descrição pelos valores E0 e E1. As saídas são representadas pelos
lugares P3 e P6, observa-se que estes possuem na descrição os valores S0 e S1.
O número mínimo de
flip-flops
é calculado de acordo com a quantidade de
estados existentes no modelo da RdP. Nota-se na figura 5.1 que a RdP representada na
descrição possui apenas três estados (A, B e C) assim a quantidade mínima de
flip-flops
é dois
para este caso específico.
Após, identificar a quantidade de estados existentes no modelo da RdP e calcular
o número mínimo de
flip-flops
necessários, é solicitado ao usuário que indique o tipo de todos
os
flip-flops
que se deseja utilizar. A escolha fica a critério do usuário.
79
Figura 5.1: Trecho do código PNML onde estão descritos os lugares da RdP modelada pelo ambiente PIPE.
Os arcos descritos no código PNML nas etiquetas
<arc...> e </arc>,
são
utilizados para obter a tabela de transição de estados, pois através da descrição dos arcos é
possível detectar o estado atual, próximo estado, entrada e saída da FSM. O estado atual e a
entrada são localizados nos arcos que representam a ligação dos lugares às transições,
identificados no código PNML pelo trecho
id=
”rótulo do lugar”
to
“ rótulo da transição”,
sendo que o próximo estado e a saída são localizados nos arcos que realizam a ligação das
transições aos lugares, identificados no trecho de código PNML
id=
"rótulo da transição”
to
“rótulo do lugar". Analisando, identificando e processando esses componentes, a tabela de
transição da FSM é gerada. A fim de exemplificar a identificação da entrada, saída, próximo e
estado atual da FSM modelada pela RdP da figura 4.2 é apresentada na figura 5.2 a parte do
código PNML que descreve alguns arcos da rede. Observa-se na figura 5.2 que os lugares de
...
<place id="P0">
...
<name>
<value>E0</value>
...
</place>
<place id="P1">
...
<value>E1</value>
...
</place>
<place id="P2">
...
<value>A</value>
...
</place>
<place id="P3">
...
<value>S0</value>
...
</place>
<place id="P4">
...
<value>B</value>
...
</place>
<place id="P5">
...
<value>C</value>
...
</place>
<place id="P6">
...
<value>S1</value>
...
</place>
O lugar P0 possui como nome o valor E0 que na modelagem
representa a entrada de valor lógico 0.
O lugar P1 possui como nome o va
lor E1 que na modelagem
representa a entrada de valor lógico 1.
O lugar P2 possui como nome o valor A que na modelagem
representa o estado A da FSM.
O lugar P4 possui como nome o valor B que na modelagem
representa o estado B da FSM.
O lugar P3 pos
sui como nome o valor S0 que na modelagem
representa a saída de valor lógico 0.
O lugar P5 possui como nome o valor C que na modelagem
representa o estado C da FSM.
Lugar identificado pelo PIPE por P0.
Lugar identificado pelo PIPE por P1.
Lugar identificado pelo PIPE por P2.
Lugar identificado pelo PIPE por P3.
Lugar identificado pelo PIPE por P4.
Lugar identificado pelo PIPE por P5
Lugar identificado pelo PIPE por P6
O lugar P6 possui como nome o valor S1 que na modelagem
representa a saída de valor lógico 1.
80
entrada da transição T0 são P0 e P2, que na modelagem representam os lugares E0 (entrada de
valor lógico 0) e A (estado A da FSM). Sendo que os lugares de saída dessa mesma transição
são P3 e P4, que correspondem na modelagem S0 (saída de valor lógico 0) e B (estado B da
FSM). Assim para este caso temos que A é o estado atual, B o próximo estado, 0 o valor
lógico da entrada e da saída, para a FSM modelada pela RdP da figura 4.2.
Figura 5.2: Trecho do código PNML onde estão descritas os arcos da RdP modelada pelo ambiente PIPE.
Como estamos trabalhando com um código XML, a análise do código se torna
mais rápida e fácil, pois não precisamos criar um analisador para verificar cada caractere do
código, basta apenas identificar as etiquetas
que contêm as informações necessárias para o
programa e capturar as informações existentes dentro delas.
O arquivo gerado pelo PIPE2TAB4M é utilizado como arquivo de entrada pelo
programa AGPS e o arquivo de saída do programa AGPS é utilizado no TABELA, este
último gera o arquivo que é usado pelo programa TAB2VHDL. Desta forma, o programa
desenvolvido possibilita que os sistemas digitais especificados em alto nível de abstração, mas
especificamente em RdP, sejam descritos em nível inferior, ou seja , em descrição RTL.
Os dados solicitados pelo programa PIPE2TAB4M são:
...
<arc id="P0 to T0" source="P0" target="T0">
...
</arc>
<arc id="P1 to T1" source="P1" target="T1">
...
</arc>
<arc id="P2 to T0" source="P2" target="T0">
…
</arc>
<arc id="P2 to T1" source="P2" target="T1">
...
</arc>
<arc id="T0 to P3" source="T0" target="P3">
...
</arc>
<arc id="T0 to P4" source="T0" target="P4">
...
</arc>
<arc id="T1 to P2" source="T1" target="P2">
...
</arc>
<arc id="T1 to P3" source="T1" target="P3">
...
</arc>
Arco com origem no lugar P0 (E0) e com destino na
transição T0.
Arco com origem no lugar P1 (E1) e com destino na
transição T1.
Arco com origem no lugar P2 (A) e com destino na
transição T0.
Arco com origem no lugar P2 (A) e com destino na
transição T1.
Arco com origem na transição T0 e com destino n
o
lugar P3 (S0).
Arco com origem na transição T0 e com destino no
lugar P4 (B).
Arco com origem na transição T1 e com destino no
lugar P3 (S0).
Arco com origem na transição T1 e com destino no
lugar P2 (A).
81
a. Estrutura de diretório (Diretório:\Pasta\Nome do arquivo.extenção) do arquivo
de entrada, para captura dos dados ;
b. Estrutura de diretório do arquivo de saída para armazenar os resultados gerados
pelo programa;
c. Tipo de cada
flip-flop
que se deseja utilizar. Os
flip-flops
utilizados são do tipo
D e JK, sendo este último representado apenas pelo caractere J.
O diagrama de blocos do programa PIPE2TAB4M é mostrado na figura 5.3.
Notam-se no diagrama que os retângulos de cantos arredondados representam apenas o início
e o fim da execução do programa, os retângulos com o canto esquerdo cortado (cartão) indica
os dados solicitados pelo programa ao usuário e a leitura dos arquivos de entrada, este arquivo
é representado pelo componente do fluxograma que indica documentos. Os processamentos
dos dados realizados pelo PIPE2TAB4M, como cálculos e construção de arquivo (saída) são
representados no diagrama por retângulos normais. O programa PIPE2TAB4M utiliza como
arquivo de entrada o documento que contém a descrição PNML da RdP modelada no
ambiente PIPE, utilizando a metodologia 4M e por intermédio deste arquivo gera o de saída,
contendo a descrição da tabela de estados.
Figura 5.3: Diagrama de Blocos do programa PIPE2TAB4M.
Início
Solicita endereço dos
arquivos de entrada e
de
saída
Construção da Tabela de
transição de estados
Fim
Tabela de
Estados
(arquivo.txt)
Leitura do arquivo de
entrada
Calcula a quantidade de
flip-flops
Solicita tipo de cada flip-
flops (D ou JK )
Descrição PNML
da RdP
(arquivo.xml)
Calcula a quantidade de
entradas e saídas da FSM
82
Para executar o programa PIPE2TAB4M não é necessário que seu arquivo
executável esteja no mesmo diretório do arquivo de entrada. Os passos necessários para
executá-lo são os seguintes:
a. Abrir o
prompt
de comando (DOS);
b. Sair do comando raiz, entrar no diretório onde se encontra o programa e indicar
o caminho, por exemplo, D:\MaterialAlexandre-Norian\Meus Programas-Python,
em seguida teclar
Enter
;
c. Após o caminho identificado no
prompt
digitar c:\python25\python.exe
PIPE2TAB4M.py. O caminho indicado é o local onde está salvo o arquivo
executável do Python;
d. O programa será executado após o usuário teclar o
Enter
e os dados necessários
para o funcionamento do programa serão requisitados.
Na figura 5.4 são apresentadas as etapas executadas no
prompt
do DOS para o
usuário executar o programa PIPE2TAB4M e fornecer os dados de entrada requisitados pelo
programa.
Figura 5.4: Ambiente do prompt DOS onde o programa PIPE2TAB4M foi executado.
O arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB4M é apresentado na figura 5.5, este
por sua vez descreve as informações da FSM, especificada pelo modelo da RdP, ilustrado na
83
figura 4.2, em forma de tabela. A referida FSM trata-se do detector de três zeros consecutivos
sem sobreposição.
Figura 5.5: Arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB4M para o detector de três zeros consecutivos sem
sobreposição.
Na primeira linha do arquivo apresentado na Figura 5.5 especifica-se a quantidade
mínima de elementos de memórias. Neste caso necessita-se no mínimo de dois elementos de
memórias, visto que o sistema possui três estados. Nas duas linhas imediatamente abaixo se
especificam o tipo de cada elemento que será utilizado, ou seja, o tipo dos
flip-flops
. Os
escolhidos pelo usuário foram seqüencialmente do tipo D e JK para o 1º e 2º
flip-flop
.
Especifica-se na quarta linha a quantidade de entradas e de saídas. O sistema projetado tem
um porto de entrada e um porto de saída.
Nas linhas subseqüentes especificam-se as transições dos estados e a saída gerada
em cada transição de acordo com a entrada fornecida para o sistema. Portanto, a partir da
quinta linha, a primeira coluna representa o estado atual, a segunda o próximo estado, nas
terceira e quarta colunas as respectivas entradas e saídas.
O arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB4M é utilizado pelo programa AGPS,
como arquivo de entrada, este por sua vez realiza a alocação de todos os estados da máquina.
O arquivo de saída criado pelo AGPS está ilustrado na figura 5.6. Observa-se que o arquivo
apresentado na figura 5.6 possui a mesma formatação do arquivo mostrado na figura 5.5,
sendo que as informações descritas nas quatro primeiras linhas são idênticas nas duas figuras,
a única alteração ocorre na alocação dos estados que são representados por caracteres
84
decimais e não mais por alfabéticos, ou seja, a tabela é modificada a partir da quinta linha,
onde as alocações 1,3 e 0 foram efetuadas pelo programa AGPS para os estados A, B e C.
Figura 5.6: Arquivo gerado pelo programa AGPS
A utilização do AGPS auxilia o ambiente de síntese, pois o arquivo gerado por
este é utilizado como entrada do programa TABELA, este por sua vez realiza a minimização
das funções booleanas do sistema.
Na figura 5.7 está descrito o trecho do código de saída do programa TABELA.
Nota-se que a primeira tabela gerada pelo programa é a de transição de estados, desta tabela
são extraídas a função de controle dos elementos de memória e das saídas da máquina. Na
primeira tabela a coluna DE apresenta os estados atuais, na coluna P/ os próximos estados, na
MINT os mintermos e na Z
i
as saídas da máquina, obtidas de acordo com os estados e
entradas apresentados nas colunas DE e ENTRADA, as entradas são convertidas para valores
binários. Os estados não representados na primeira tabela são indicados na tabela
imediatamente abaixo, ou seja, na tabela dos
don’t care state
.
O custo total para a implementação das quatro funções combinacionais (J1, K1,
D0 e Z0) é igual a 8, considerando-se como critério de custo total a soma do custo final de
cada função.
O arquivo gerado pelo programa TABELA é utilizado como entrada do programa
TAB2VHDL, este por sua vez gera a descrição RTL na linguagem VHDL para o detector da
seqüência de três zeros consecutivos sem sobreposição.
85
Figura 5.7: Descrição gerada pelo programa TABELA para o detector de três zeros consecutivos sem
sobreposição.
O código RTL descrito pelo programa TAB2VHDL é apresentado na figura 5.8,
com a finalidade de mostrar a descrição VHDL gerada pelo programa para o detector da
seqüência de três zeros consecutivos sem sobreposição. Nota-se que na entidade da descrição,
apresentada no código RTL da figura 5.8, foram definidos os portos de entrada (x0) e saída
(z0) e os sinais de sincronismo (CLK e CLR). Os portos denominados Q0 e Q1 permitem ao
projetista observar através da simulação, os estados que a máquina está transitando.
86
Figura 5.8: Descrição RTL na linguagem VHDL gerada pelo programa TAB2VHDL.
Os sinais auxiliares, denominados V
EN
, mostrados na descrição da figura 5.8 são
definidos com o objetivo de evitar que se gerem vários
drivers
para um mesmo sinal.
Para cada
flip-flop
utilizado é criado um processo na descrição, dois tipos de
processos foram criados na descrição da figura 5.8, um para modelar o
flip-flop
D e outro para
modelar o
flip-flop
JK, ambos sensíveis a transição (borda) de subida.
Na figura 5.9 é apresentado o digrama de blocos referente ao processo de síntese
digital, realizado com auxílio dos ambientes PIPE, Quartus II [42] ou Max+Plus [42] e dos
programas PIPE2TAB4M, AGPS, TABELA e TAB2VHDL. Estes ambientes e programas
permitem que sistemas modelados em alto nível de abstração, RdP, utilizando a metodologia
87
de modelagem 4M, sejam descritos em um nível inferior, mas especificamente em linguagens
de descrição de
hardware
(modelo RTL em VHDL). No diagrama de blocos o retângulo de
cantos arredondados representa a metodologia de modelagem utilizada para modelar FSM em
RdP e os cubos representam os programas ou ambientes utilizados, o ambiente PIPE é
empregado para a modelagem e simulação das RdP, o programa PIPE2TAB4M traduz o
arquivo contendo a descrição PNML da RdP modelada pelo PIPE para uma tabela de
transição de estados, o AGPS realiza a alocação dos estados da tabela gerada pelo
PIPE2TAB4M, o arquivo gerado pelo AGPS é usado pelo TABELA para a minimização das
funções booleanas, este por sua vez gera o arquivo que é utilizado pelo TAB2VHDL para a
geração do modelo RTL em VHDL do sistema modelado em RdP. Por fim a descrição gerada
pelo TAB2VHDL pode ser compilada e simulada nos ambientes da Altera.
Figura 5.9: Diagrama de Blocos para o processo de síntese.
5.1.2 Programa PIPE2VHDL4M
O programa PIPE2VHDL4M gera automaticamente a descrição comportamental
na linguagem VHDL, através da análise do código PNML. Este código é obtido pela
PIPE2TAB4M
Tabela de
transição de
estados
( arquivo.txt)
Alocação dos
estados da tabela
( arquivo.tab)
Geração do
modelo RTL em
VHDL
( arquivo.vhd)
Metodologia de
Modelagem 4M
PIPE
Modelagem do
sistema em RdP
Descrição da
RdP
( arquivo.xml)
PIPE
Simulação do
sistema em RdP
AGPS
Tabela
Minimização das
funções
booleanas
TAB2VHDL
Quartus II ou
Max+Plus II
(simulação e síntese
)
88
modelagem da FSM do tipo Mealy em RdP Lugar/Transição, utilizando-se do ambiente PIPE
e da metodologia 4M.
Ao executar o programa e, conseqüentemente, fornecerem-se os argumentos
solicitados, tais como endereço do arquivo de entrada e de saída, o programa abre o arquivo
de entrada para analisar a descrição PNML e cria o arquivo de saída para salvar a descrição
comportamental na linguagem VHDL gerada. Caso ocorra algum erro durante o processo de
abertura ou criação de arquivos ou na análise dos parâmetros do arquivo de entrada, o
programa é encerrado sem realizar a geração da descrição e fornece a mensagem do referido
erro para o usuário.
Caso não houver nenhum erro nos parâmetros, o arquivo de entrada é analisado.
Os lugares descritos no código PNML nas etiquetas
<place id = “
rótulo do lugar
”> e
</place>,
são os primeiros componentes analisados, pois pela identificação do “valor” dos
seus nomes, encontrado dentro das etiquetas
<value>
e
</value>
, é possível computar a
quantidade de entradas, saídas e estados existentes na FSM modelada em RdP
Lugar/Transição. Assim as entradas e saídas representadas no modelo por valores decimais
são convertidas para valores binários e armazenadas no arquivo de saída dentro da entidade,
representada no trecho de código
ENTITY
da descrição VHDL
,
como portas do tipo
bit
.
Após, definidas as entradas e saídas, é solicitado ao usuário que indique o nome
da arquitetura que deseja utilizar no código VHDL a ser gerado.
Os estados identificados na análise dos lugares são declarados como tipo “tipo-
estado”, dentro da arquitetura representada pela etiqueta
ARCHITECTURE.
Os arcos descritos no código PNML nas etiquetas
<arc...>
e
</arc>,
são
utilizados para descrever o processo do código VHDL, apresentado no trecho de código
PROCESS (Atual, x
i
)
e
END PROCESS
, dentro deste são descritas as transições dos estados.
89
Através da descrição dos arcos é possível detectar o estado atual, próximo estado, entrada e
saída.
Na figura 5.10 é ilustrado o diagrama de blocos para o programa PIPE2VHDL4M.
Os retângulos de cantos arredondados da figura 5.10 representam apenas o início e o fim da
execução do programa. Nos retângulos com o canto esquerdo cortado (cartão) são indicadas
as solicitações de dados ao usuário pelo programa e a leitura dos arquivos de entrada, este
arquivo é representado pelo componente de um fluxograma que indica documentos. O
processo para a conversão das entradas e saídas para valores binários e a construção da
descrição comportamental VHDL do sistema modelado, são representados no diagrama por
retângulos normais. O programa PIPE2VHDL4M utiliza como arquivo de entrada o
documento que contém a descrição PNML da RdP modelada no ambiente PIPE, utilizando a
metodologia 4M e por intermédio deste arquivo gera o de saída, contendo a descrição
comportamental na linguagem VHDL.
Figura 5.10: Diagrama de Blocos do programa PIPE2VHDL4M.
Início
Solicita endereço dos
arquivos de entrada e de
saída
Construção do processo que
descreve a transição dos
estados
Fim
Descrição
comportamental na
linguagem VHDL
(arquivo.vhd)
Leitura do arquivo de
entrada
Solicita o nome da
arquitetura para o
código VHDL
Descrição PNML
da RdP
(arquivo.xml)
Converte as entradas e
saídas da FSM em valores
binários
90
Ao executar o programa PIPE2VHDL4M não é necessário que seu executável
esteja na mesma pasta do arquivo utilizado como entrada.
As seguintes etapas são necessárias para executar o PIPE2VHDL4M:
a. Abrir o DOS;
b. Sair do comando raiz, entrar no diretório em que o programa se encontra e
indicar o caminho, por exemplo, D:\Material Alexandre- Norian\Meus Programas-
Python, em seguida teclar
Enter
;
c. Digitar o caminho para executar o Python e nome do programa que será
executado, c:\python25\python.exe PIPE2VHDL4M.py;
d. Após digitar os comandos para executar o PIPE2VHDL4M, os seguintes dados
serão requisitados para o usuário:
- Endereço do arquivo de entrada para captura dos dados, por exemplo,
D:\MaterialAlexandre-Norian\Saida-TCPIPE\DescriçãoRdP-\Exemplo2.txt;
- Endereço do arquivo de saída para armazenar a descrição comportamental
na linguagem VHDL gerada pelo programa;
- Nome da arquitetura para a descrição VHDL.
A figura 5.11 ilustra as etapas recém descritas, executadas no
prompt
do DOS
para rodar o programa PIPE2VHDL4M e fornecer os dados de entrada requisitados para o
usuário.
Figura 5.11: Ambiente do prompt DOS onde o programa PIPE2VHDL4M foi executado.
91
Na figura 5.12 é exibida a descrição comportamental em linguagem VHDL,
gerada pelo programa PIPE2VHDL4M para o detector da seqüência de três zeros
consecutivos sem sobreposição. Observa-se que os portos de entrada e saída e o sinal de
sincronismo (
clock
) são definidos dentro da entidade na descrição comportamental,
apresentada na figura 5.12. Os portos denominados x0 e z0 representam as entradas e saídas
da máquina modelada em RdP. Os estados da máquina são representados dentro da
arquitetura como um tipo de variável “tipo_estado”.
Figura 5.12: Descrição comportamental obtida pelo programa PIPE2VHDL4M para o detector de três zeros
consecutivos sem sobreposição.
92
Na descrição comportamental apresentada na figura 5.12, são criados dois tipos de
processos, um para controlar o próximo estado e saída, obedecendo ao estado atual e entrada
da máquina, este processo tem como lista de sensibilidade as variáveis Atual e x0 e outro para
controlar a mudança dos estados da máquina, assim o próximo estado passa a ser o atual, este
processo é sensível à transição de subida.
A descrição gerada pelo programa PIPE2VHDL4M pode ser compilada e
simulada nos ambientes da Altera.
5.2 Programas Desenvolvidos para a Metodologia 5M
Nesta subseção apresentam-se os programas denominados PIPE2TAB5M e
PIPE2VHDL5M, implementados para analisar a descrição PNML do modelo da RdP
Lugar/Transição, esquematizado no ambiente PIPE, utilizando-se da metodologia de
modelagem 5M. Estes programas geram a tabela de transição de estados e a descrição
comportamental na linguagem VHDL para as FSM do tipo Mealy e/ou Moore especificadas
em RdP.
5.2.1 Programa PIPE2TAB5M
O programa PIPE2TAB5M gera a tabela de transição de estados, através da
análise do código PNML da RdP Lugar/Transição, que modela a FSM do tipo Mealy ou
Moore, por intermédio da metodologia 5M.
Quando o programa é executado e, seguidamente os argumentos solicitados são
informados, tais como endereço do arquivo de entrada e de saída, o programa abre o arquivo
de entrada para analisar a descrição PNML e cria o arquivo de saída para salvar a tabela
93
gerada. Caso ocorra algum erro durante o processo de abertura, criação de arquivos ou na
análise dos parâmetros do arquivo de entrada, o programa é encerrado sem realizar a geração
da tabela e fornece a mensagem do referido erro para o usuário.
Se não houver nenhum erro nos parâmetros o arquivo de entrada é analisado. Os
lugares descritos no código PNML dentro das etiquetas
<place id = “
rótulo do lugar
”>
e
</place>,
são os primeiros componentes analisados com o propósito de identificar se as FSM
modeladas são do tipo Mealy ou Moore. Se a identificação do “valor” dos seus nomes,
encontrados dentro das etiquetas
<value>
e
</value>
, apresentarem os caracteres “/S”, a
máquina modelada será de Moore, pois as saídas estão sendo representadas nos lugares
(estados da FSM), caso contrário será de Mealy. A descrição PNML será analisada conforme
o tipo de máquina modelada pela RdP Lugar/Transição. Observa-se na figura 5.13 que a
máquina descrita é do tipo Mealy, pois nenhum dos lugares apresentados nessa descrição
PNML possuem os caracteres “/S” no “valor” dos lugares descritos. A descrição PNML
mostrada na figura 5.13 refere-se à RdP apresentada na figura 4.12, que modela o detector da
seqüência de três zeros consecutivos sem sobreposição, por intermédio da metodologia 5M.
Figura 5.13: Trecho do código PNML onde estão descritos os lugares da RdP modelada pelo ambiente PIPE.
…
<place id="P0">
…
<name>
<value>A</value>
…
</place>
<place id="P1">
…
<value>B</value>
…
</place>
<place id="P2">
…
<value>C</value>
…
</place>
<place id="P3">
…
<value>E0</value>
…
</place>
<place id="P4">
…
<value>E1</value>
…
</place>
O lugar P0 possui como nome o valor A que na modelagem
representa o estado A da FSM.
O lugar P1 possui como nome o valor B que na modelagem
representa o estado B da FSM.
O lugar P2 possui como nome o valor C que na modelagem
representa o estado C da FSM.
O lugar P4 possui como nome o valor E1 que na modelagem
representa a entrada de valor lógico 1.
O lugar P3 possui como nome o valor E0 que na modelagem
representa a entrada de valor lógico 0.
Lugar identificado pelo PIPE por P0
Lugar identificado pelo PIPE por P1
Lugar identificado pelo PIPE por P2
Lugar identificado pelo PIPE por P3
Lugar identificado pelo PIPE por P4
94
Nos modelos das máquinas de Moore é possível computar as entradas, saídas e
estados existentes através da descrição dos lugares, no código PNML. Enquanto que no
modelo de Mealy as saídas estão representadas nas transições, localizadas no código dentro
das etiquetas
<transition id=
”rótulo da transição”> e
</transition>,
desta forma para este
caso é necessário analisar o “valor” das transições, encontrado dentro das etiquetas
<value>
e </value>,
para identificar as saídas. Os estados e entradas nesse último modelo são
representados nos lugares da RdP. Na figura 5.14 é ilustrado o trecho do código PNML que
descreve as transições da RdP apresentada na figura 4.12. Nota-se que no “valor” de cada
transição também é representado a saída da máquina, por exemplo, as transições T0, T1, T2,
T4 e T5 representam a saída de valor lógico 0 e T3 a saída de valor lógico 1.
Figura 5.14: Trecho do código PNML onde estão descritas as transições da RdP modelada pelo ambiente PIPE.
O número mínimo de
flip-flops
é calculado de acordo com a quantidade de
estados existentes no modelo da RdP. Após, calculado o número de
flip-flops
necessários, é
solicitado ao usuário que indique o tipo de todos os
flip-flops
que se deseja utilizar.
...
<transition id="T0">
…
<value>T0/S0</value>
…
</transition>
<transition id="T1">
…
<value>T1/S0</value>
…
</transition>
<transition id="T2">
…
<value>T2/S0</value>
…
</transition>
<transition id="T3">
…
<value>T3/S1</value>
…
</transition>
<transition id="T4">
…
<value>T4/S0</value>
…
</transition>
<transition id="T5">
…
<value>T5/S0</value>
…
</
transition>
Transição identificada pelo PIPE por T0
A transição T0 possui como nome o valor T0/S0 que na
modelagem representa
a saída de valor lógico 0
da FSM.
Transição identificada pelo PIPE por T1
A transição T0 possui como nome o valor T1/S0
que na
modelagem representa
a saída de valor lógico 0
da FSM
.
Transição identificada pelo PIPE por T2
A transição T0 possui como nome o valor T
2/S0 que na
modelagem representa
a saída de valor lógico 0
da FSM
.
A transição T0 possui como nome o valor T3/S1
que na
modelagem representa
a saída de valor lógico 1
da FSM
.
Transição identificada pelo PIPE por T3
A transição T0 possui como nome o valor T4/S0
que na
modelagem representa
a saída de valor lógico 0
da FSM
.
Transição identificada pelo PIPE por T4
A transição T0 possui como nome o valor T5/S0
que na
modelagem representa
a saída de valor lógico 0
da FSM
.
Transição identificada pelo PIPE por T5
95
Os arcos descritos no código PNML dentro das etiquetas
<arc..>
e
</arc>,
são
utilizados para obter a tabela de transição de estados, pois através da descrição dos arcos é
possível detectar o estado atual, o próximo estado e a entrada da FSM. O estado atual e a
entrada são localizados nos arcos que representam a ligação dos lugares às transições,
identificados no código PNML pelo trecho
id
="rótulo do lugar”
to
“rótulo da transição
"
,
sendo que o próximo estado é localizado nos arcos que realizam a ligação das transições aos
lugares, identificados no trecho de código PNML
id=
"rótulo da transição”
to
“rótulo do
lugar". As saídas no modelo Mealy são identificadas nas transições que conectam os lugares
que representam o estado atual e a entrada ao lugar que modela o próximo estado. Já no
modelo de Moore as saídas são modeladas no mesmo lugar que representa o estado atual.
Analisando, identificando e processando esses componentes, a tabela de transição da FSM é
gerada. Observa-se na figura 5.15 que os lugares de entrada da transição T0 são P1 e P4, que
na modelagem representam os lugares B (estado B da FSM) e E1 (entrada de valor lógico 1).
Sendo que o lugar de saída dessa mesma transição é P0, que correspondem na modelagem o
lugar A (estado A da FSM). Assim para este caso temos que o estado atual, próximo estado,
entrada e saída da FSM modelada pela RdP da figura 4.12 são B, A, 1 e 0. Neste caso a saída
recebe o valor lógico 0, pois na descrição das transições, apresentada na figura 5.14, tem-se
que o valor apresentado na transição T0 é T0/S0, assim S0 representa a saída 0.
Figura 5.15: Trecho do código PNML onde estão descritas os arcos da RdP modelada pelo ambiente PIPE.
...
<arc id="P0 to T1" source="P0" target="T0">
...
</arc>
<arc id="P1 to T0" source="P1" target="T0">
…
</arc>
<arc id="P3 to T1" source="P3" target="T1">
...
</arc>
<arc id="P4 to T0" source="P4" target="T0">
...
</arc>
<arc id="T0 to P0" source="T0" target="P0">
...
</arc>
<arc id="T1 to P1" source="T1" target="P1">
...
</arc>
Arco com origem no lugar P0 (A) e com destino na
transição T0.
Arco com origem no lugar P1 (B) e com destino na
t
ransição T0.
Arco com origem no lugar P3 (E0) e com destino na
transição T1.
Arco com origem no lugar P4 (E1) e com destino na
transição T0.
Arco com origem na transição T1 e com destino no
lugar P1 (B).
Arco com origem na transição T0 e com destino no
lugar P0 (A).
96
Para executar o programa PIPE2TAB5M são necessárias as seguintes etapas:
a. Abrir o
prompt
de comando (DOS);
b. Sair do comando raiz, entrar no diretório e pastas em que o programa
PIPE2TAB5M se encontra, ou seja, indicar o caminho, por exemplo, D:\Material
Alexandre- Norian\Meus Programas-Python;
c. Digitar o caminho para executar o Python e nome do programa que será
executado, c:\python25\python.exe PIPE2TAB5M.py;
d. Após teclar o
Enter
o programa será executado e os seguintes dados serão
requisitados ao usuário;
- Estrutura de diretório (Diretório:\Pasta\Nome do arquivo.extensão) do
arquivo de entrada, por exemplo,
D:\MaterialAlexandre-Norian\Saida-
TCPIPE\Descrição RdP-2\Mealy.txt;
- Estrutura de diretório do arquivo de saída para armazenar os resultados
gerados pelo programa, por exemplo, D:\MaterialAlexandre-Norian\Saida-
PIPE2TAB5M\Mealy.txt;
- Tipo de cada um dos
flip-flops
que se deseja utilizar. Os
flip-flops
que
podem ser utilizados são do tipo D e JK, este último tipo é representado
apenas pelo caractere J.
A figura 5.16 mostra as etapas relacionadas acima, que devem ser executadas pelo
usuário no
prompt
do DOS para executar o programa PIPE2TAB5M.
Figura 5.16: Ambiente do prompt DOS onde o programa PIPE2TAB5M foi executado.
97
O diagrama de blocos do programa PIPE2TAB5M é demonstrado na figura 5.17.
Observam-se no diagrama que os retângulos de cantos arredondados representam apenas o
início e o fim da execução do programa, os retângulos com o canto esquerdo cortado (cartão)
indica os dados solicitados pelo programa ao usuário e a leitura dos arquivos de entrada. Os
arquivos de entrada e saída são indicados pelo componente utilizado em fluxogramas que
representa documentos. Os cálculos, a verificação dos tipos de máquinas modeladas em RdP e
a construção do arquivo de saída são representados no diagrama por retângulos normais. O
programa PIPE2TAB5M gera um arquivo de saída, contendo a descrição da tabela de
transição de estados, por intermédio da descrição PNML da RdP modelada no ambiente PIPE.
Figura 5.17: Diagrama de Blocos do programa PIPE2TAB5M.
O arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M para a descrição PNML da RdP
Lugar/Transição que modela o detector da seqüência de três zeros consecutivos sem
sobreposição, é exibido na figura 5.18. Observa-se na figura 5.18 que a descrição gerada pelo
programa PIPE2TAB5M é semelhante à gerada pelo PIPE2TAB4M, apresentada na figura
5.3, pois a tabela representada em ambos os arquivos tratam a mesma FSM, o que as
Início
Solicita endereço dos
arquivos de entrada e
de saída
Construção da Tabela
de transição de
estados
Fim
Tabela de
Estados
(arquivo.txt)
Leitura do arquivo de
entrada
Calcula a quantidade de
flip-flops
Solicita tipo de cada
flip-flops (D ou JK )
Descrição
PNML da RdP
(arquivo.xml)
Verifica o tipo da
máquina modelada
(Mealy ou Moore)
Calcula a quantidade de
entradas e saídas da
FSM
98
diferencia é a metodologia de modelagem aplicada para modelá-la em RdP Lugar/Transição.
Assim o arquivo da figura 5.18 difere da figura 5.5 apenas pelo tipo dos
flip-flops
fornecidos
pelo usuário. Na figura 5.18 os tipos JK e D foram escolhidos pelo usuário para o 1
o
e 2
o
flip-
flop
, enquanto que na figura 5.5 foram escolhidos para o 1
o
e 2
o
flip-flop
os tipos D e JK.
Figura 5.18: Arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M para o detector de três zeros consecutivos sem
sobreposição.
O arquivo gerado pelo PIPE2TAB5M também permite que os programas AGPS,
TABELA e TAB2VHDL, sejam utilizados. Entretanto, o TAB2VHDL só deve ser utilizado
quando as máquinas modeladas forem do tipo Mealy, visto que a descrição RTL obtida por
este é restrita apenas a essas máquinas.
5.2.2 Programa PIPE2VHDL5M
O programa PIPE2VHDL5M é responsável por gerar a descrição comportamental
na linguagem VHDL da FSM modelada em RdP Lugar/Transição, por intermédio do
ambiente PIPE e da metodologia de modelagem 5M. A descrição comportamental é obtida
através da análise do código PNML da RdP modelada.
Ao executar o programa e, seguidamente, informar os argumentos solicitados, tais
como endereço do arquivo de entrada e de saída, o programa abre o arquivo de entrada para
analisar a descrição PNML e cria o arquivo de saída para salvar a tabela gerada. Caso ocorra
99
algum erro durante o processo de abertura, criação de arquivos ou na análise dos parâmetros
do arquivo de entrada, o programa é encerrado sem realizar a geração do código VHDL
comportamental e fornece a mensagem do referido erro para o usuário.
Caso não exista nenhum erro nos parâmetros o arquivo de entrada é analisado. Os
lugares descritos no código PNML nas etiquetas
<place id = “
rotulo do lugar
”>
e
</place>,
são os primeiros componentes analisados com o propósito de identificar se as FSM modeladas
são do tipo Mealy ou Moore. Se a identificação do “valor” dos seus nomes, encontrados
dentro das etiquetas
<value>
e
</value>
, apresentarem os caracteres “/S” a máquina
modelada será de Moore, caso contrário será de Mealy. A descrição PNML será analisada
conforme o tipo de máquina modelada em RdP Lugar/Transição.
Nos modelos das máquinas de Moore é possível computar as entradas, saídas e
estados existentes através da descrição dos lugares no código. Enquanto que no modelo de
Mealy as saídas estão representadas nas transições, localizadas no código PNML dentro das
etiquetas
<transition id
=”rótulo da transição”>
e
</transition>,
desta forma para este caso é
necessário analisar o “valor” das transições, encontrado dentro das etiquetas
<value>
e
</value>,
para identificar as saídas. Os estados e entradas nesse último modelo são
representados nos lugares da RdP.
As entradas e saídas identificadas no modelo são convertidas para valores binários
e armazenadas no arquivo de saída na entidade, representada dentro do trecho de código
ENTITY
da descrição VHDL
,
como portas do tipo
bit
.
Após, definidas as entradas e saídas, é solicitado ao usuário que indique o nome
da arquitetura que se deseja utilizar no código VHDL a ser gerado.
Os estados identificados na análise dos lugares são declarados dentro da
arquitetura, representada pela etiqueta
ARCHITECTURE,
com o tipo “tipo-estado”.
100
Os arcos descritos no código PNML dentro da etiqueta
<arc...>
e
</arc>,
são
utilizados para descrever o processo do código VHDL, descrito dentro do trecho de código
PROCESS (Atual, x
i
)
e
END PROCESS
, onde a transição dos estados são especificadas.
Através da descrição dos arcos é possível detectar o estado atual, próximo estado e entrada da
FSM. As saídas nas máquinas de Mealy são identificadas nas transições, enquanto que nas de
Moore são modeladas no mesmo lugar que representa o estado atual.
As etapas utilizadas para executar o programa PIPE2VHDL5M são semelhantes
às utilizadas pelo programa PIPE2TAB5M, o que modifica é o nome do programa que está
sendo executado, neste caso o nome do programa a ser fornecido é PIPE2VHDL5M.
Os dados requeridos pelo programa aos usuários são:
a. Endereço do arquivo de entrada para captura dos dados, por exemplo,
D:\MaterialAlexandre-Norian\Saida-TCPIPE\Descrição RdP-2\Mealy.txt;
b. Endereço do arquivo de saída para armazenar a descrição comportamental na
linguagem VHDL gerada pelo programa;
c. Nome da arquitetura para a descrição VHDL.
A figura 5.19 ilustra as etapas mencionadas, que devem ser executadas no
prompt
do DOS para rodar o programa PIPE2VHDL5M e fornecer os dados de entrada requisitados
para o usuário.
Figura 5.19: Ambiente do prompt DOS onde o programa PIPE2VHDL5M foi executado.
O diagrama de blocos do programa PIPE2VHDL5M é demonstrado na figura
5.20. Neste diagrama os retângulos com o canto esquerdo cortado (cartão) indicam os dados
101
solicitados pelo programa ao usuário e a leitura dos arquivos de entrada. Os arquivos de
entrada e saída são representados no diagrama pelo componente do fluxograma que indica
documentos. O processo para a verificação do tipo de máquina modelada, a conversão das
entradas e saídas para valores binários e a construção da descrição comportamental VHDL do
sistema modelado, são representados por retângulos normais. Os retângulos de cantos
arredondados do diagrama representam apenas o início e o fim da execução do programa
PIPE2VHDL5M.
Figura 5.20: Diagrama de Blocos do programa PIPE2VHDL5M.
O arquivo gerado pelo programa PIPE2VHDL5M, contendo descrição
comportamental em linguagem VHDL para o detector da seqüência de três zeros consecutivos
sem sobreposição é semelhante à descrição obtida pelo PIPE2VHDL4M, pois especificam a
mesma FSM modelada em metodologias diferentes.
Na figura 5.21 é ilustrado um trecho da descrição comportamental obtida pelo
PIPE2VHDL5M. Nota-se na descrição que os portos de entrada e saída e o sinal de
Início
Solicita endereço dos
arquivos de entrada e
de
saída
Construção do processo que
descreve a transição dos
estados
Fim
Descrição
comportamental na
linguagem VHDL
(arquivo.vhd)
Leitura do arquivo
de entrada
Solicita o nome da
arquitetura para o
código VHDL
Descrição PNML
da RdP
(arquivo.xml)
Converte as entradas e
saídas da FSM em
valores binários
Verifica o tipo da máquina
modelada (Mealy ou
Moore)
102
sincronismo (
clock
) são definidos dentro da entidade. Os portos denominados x0 e z0,
definidos como
bit,
representam as entradas e saídas da máquina modelada em RdP. Os
estados da máquina são representados dentro da arquitetura como um tipo de variável
“tipo_estado”. Dois tipos de processos são criados na descrição comportamental, um para
controlar o próximo estado e saída, obedecendo ao estado atual e entrada da máquina, este
processo tem como lista de sensibilidade as variáveis Atual e x0 e outro para controlar a
mudança do próximo estado da máquina para o atual, este processo é sensível à transição
(borda) de subida.
Figura 5.21: Descrição comportamental obtida pelo programa PIPE2VHDL5M para o detector de três zeros
consecutivos sem sobreposição, modelado pela metodologia 5M.
103
6
A
NÁLISE DOS
T
ESTES
Neste capítulo são discutidos os resultados dos testes, obtidos utilizando-se as
metodologias de modelagem e os programas de síntese apresentados nesta dissertação.
Os resultados descritos na seção 6.1, para ambas as metodologias de modelagem,
4M e 5M, são gerados pelos testes do detector da seqüência de
bits
10010 com sobreposição,
do código de linha AMI, da FSM com duas entradas e uma saída e do comparador de série. O
teste do código HDB3 foi realizado apenas com a metodologia 5M devido à sua capacidade
de modelagem.
Através da modelam das máquinas de Moore em RdP, utilizando-se da
metodologia 5M, discute-se na seção 6.2 os resultados obtidos pelos testes. As máquinas
apresentadas nesta seção projetam o detector da seqüência de bits 11, o código de linha AMI e
a FSM com duas entradas e uma saída, estas máquinas compõem o espaço amostral dos testes
dessa subseção.
A fim de validar as metodologias e os programas desenvolvidos procurou-se
escolher casos diferentes de testes, assim utilizou-se como espaço amostral dos testes FSM
com apenas uma entrada e saída, com duas entradas e uma saída, com uma entrada e duas
saídas e com várias entradas e saídas. Desta forma com o processamento correto de todos os
testes do espaço amostral, fornecendo as saídas desejadas, tem-se que as metodologias e
ferramentas desenvolvidas podem ser utilizadas para modelar qualquer FSM nos modelos de
Mealy ou Moore.
6.1 Testes Aplicados a Metodologia 4M e 5M
Nesta seção apresentar-se-ão os resultados obtidos pelos programas
PIPE2TAB4M, PIPE2VHDL4M, PIPE2TAB5M, PIPE2VHDL5M, AGPS, TABELA e
104
TAB2VHDL, para os testes do detector da seqüência de bits 10010 com sobreposição, do
código de linha AMI, da FSM com duas entradas e uma saída, do comparador de série e do
código de linha HDB3.
6.1.1 Detector para a seqüência 10010 com sobreposição
O detector apresentado nesta subseção gera a sua saída como nível lógico 1 toda
vez que a seqüência 10010 for encontrada na seqüência de pulsos (1 e 0) fornecida como
entrada, mesmo que essa seqüência seja com sobreposição.
Com o propósito de esclarecer o funcionamento do detector, é ilustrada na tabela
6.1 uma seqüência de entradas que exibe a atuação do detector da seqüência 10010 com
sobreposição de acordo com as entradas fornecidas. Na linha E são apresentadas as entradas e
na linha S as saídas fornecidas pela máquina obedecendo a seqüência de entradas indicada na
linha E.
Tabela 6.1: Demonstra o funcionamento do detector para a seqüência 10010 com sobreposição.
E
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
S
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
A FSM do tipo Mealy para o detector da seqüência de
bits
10010 com
sobreposição é apresentada na figura 6.1. O estado A é o estado inicial da máquina. O
deslocamento para os estados A, B, C, D, E, F ou G, ocorre de acordo com o valor lógico da
entrada, ou seja, se a máquina estiver no estado A e a entrada for 0 a máquina deslocará para o
B e produzirá uma saída de valor lógico 0, caso a entrada seja 1 a máquina permanecerá em A
e determinará saída 0. Caso a máquina estiver no estado B e a entrada for 0 a máquina
deslocará para o C e produzirá a saída 0, caso a entrada seja 1 a máquina deslocará para o
estado F e determinará saída 0. A mesma lógica é usada para todos os estados da máquina,
assim, cada estado analisa obrigatoriamente todas as entradas e fornece, para cada uma delas,
uma saída.
105
Figura 6.1: Máquina de Mealy para o detector da seqüência 10010 com sobreposição [25].
Utilizando-se o ambiente PIPE e a metodologia 4M para modelar o detector da
seqüência 10010 com sobreposição, obtém-se a RdP Lugar/Transição apresentada na figura
6.2. Observa-se que cada um dos estados da máquina ilustrada na figura 6.1 são
representados por lugares distintos na RdP que recebem a mesma denominação dos estados
(A, B, C, D, E, F, G). Tem-se que as entradas e saídas da máquina correspondem
respectivamente aos lugares E0 (entrada de valor lógico 0), E1 (entrada de valor lógico 1), S0
(saída de valor lógico 0) e S1(saída de valor lógico 1).
Figura 6.2: Modelo da RdP obtido pela metodologia 4M para o detector da seqüência 10010 com sobreposição.
A
B
G
C
D
E
F
0/0
0/0
1/0
0/0
0/0
0/0
1/0
0/1
1/0
1/0
1/0
1/0
1/0
0/0
106
Aplicando a metodologia 5M para modelar o detector ilustrado na figura 6.1,
obtém-se a RdP Lugar/Transição mostrada na figura 6.3. Nota-se que os estados do detector
são representados por lugares distintos na rede, e recebem a mesma nomeação (A, B, C, D, E,
F, G). As entradas são representadas pelos lugares E0 e E1 que correspondem aos valores
lógicos 0 e 1. As saídas são representadas nas transições de acordo com a entrada identificada
em cada estado, por exemplo, a transição T0/S0 representa a saída de valor lógico 0, esta é
habilitada quando o estado atual da máquina for A e a entrada for 0, o próximo estado
atingido com o disparo dessa transição é B. Enquanto a transição T1/S0 “gera” a saída 0
quando o estado atual for A e a entrada 1, o próximo estado atingido com o disparo dessa
transição é o próprio estado A. Observa-se que houve uma redução de cerca de 14% dos
elementos gráficos na modelagem da RdP da figura 6.3 em relação a rede da figura 6.2.
Figura 6.3: Modelo da RdP para o detector da seqüência 10010 com sobreposição, obtido através da metodologia
5M.
A modelagem ilustrada na figura 6.2 e figura 6.3 geram descrições PNML que
podem ser utilizadas pelos programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M, os quais, por sua vez,
transformam as informações da FSM especificadas pelos modelos da RdP em forma de tabela.
A configuração dos arquivos criados pelos PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M, está ilustrada na
figura 6.4. Nota-se que ambos os arquivos possuem configurações e descrições das transições
dos estados idênticas, pois as duas metodologias modelam a mesma FSM em RdP distintas,
107
assim através da metodologia 4M e do programa PIPE2TAB4M é possível obter o arquivo da
figura 6.4(a) e por intermédio da metodologia de modelagem 5M e do programa
PIPE2TAB5M é possível obter o arquivo da figura 6.4(b). O estado representado pelo
caractere “E” na figura 6.4 (a), está apresentado como “e” na figura 6.4 (b) devido a
nomeação dada ao lugar que o representada durante a modelagem da FSM em RdP,
lembrando-se que uma das restrições da metodologia 5M é que o nome dado aos lugares que
representam os estados da máquina não deve possuir o caractere “E”.
(a)
(b)
Figura 6.4: Arquivos criados pelos programas PIPE2TAB4M (a) e PIPE2TAB5M(b).
Na primeira linha dos arquivos apresentados na Figura 6.4 especifica-se a
quantidade mínima de elementos de memórias. Neste caso necessita-se de no mínimo três
elementos de memórias, visto que o sistema possui sete estados. Nas três linhas
imediatamente abaixo se especificam o tipo de cada elemento que será utilizado, ou seja, o
tipo dos
flip-flops
. Os escolhidos pelo usuário no programa PIPE2TAB4M, figura 6.4(a),
foram seqüencialmente do tipo D, JK e D para o 1º, 2º e 3º
flip-flops
. Enquanto que na tabela
gerada pelo programa PIPE2TAB5M, figura 6.4(b), escolheu-se o
flip-flops
tipo D, para os
três elementos de memórias. Não há nenhum critério para a escolha dos flip-flops, estes são
informados pelo usuário de acordo com sua vontade.
108
Especifica-se, na quinta linha, a quantidade de entradas e de saídas. O sistema
projetado tem um porto de entrada e um porto de saída.
Nas linhas subseqüentes especificam-se as transições dos estados e a saída gerada
em cada transição, de acordo com a entrada fornecida para o sistema. Portanto, a partir da
sexta linha, tem-se que a primeira coluna representa o estado atual, a segunda o próximo
estado, na terceira e na quarta colunas as respectivas entradas e saídas.
Os arquivos gerados pelos programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M são
utilizados pelo programa AGPS, como arquivo de entrada, este programa por sua vez realiza a
alocação de todos os estados da máquina. O arquivo gerado pelo AGPS possui a mesma
formatação da fornecida pelos PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M, a única alteração ocorre na
alocação dos estados que são representados por caracteres decimais e não mais por
alfabéticos. Tem-se que o AGPS realizou, respectivamente, as alocações 1,6, 0, 7, 5, 3, 2 para
os estados A, B, C, D, E, F e G, apresentados no arquivo da figura 6.4(a). O arquivo de saída
criado pelo AGPS está ilustrado na figura 6.5 (a). Observa-se que o AGPS conserva a
configuração dos arquivos gerados pelos programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M. A
alocação dos estados é a mesma para os dois arquivos apresentados na Figura 6.4 pois
descrevem a mesma FSM modelada em metodologias diferentes.
(a)
(b)
Figura 6.5: Arquivo gerado pelo programa AGPS para os arquivos da Figura 6.4.
109
A utilização do AGPS auxilia o ambiente de síntese, pois o arquivo gerado por ele
é utilizado como entrada pelo programa TABELA, por intermédio das informações do
arquivo gerado pelo AGPS o TABELA realiza a minimização das funções booleanas do
sistema.
Na figura 6.6 está descrito um trecho do código de saída do programa TABELA.
Observa-se na figura 6.6 que todos os mintermos e
don’t care states
das funções booleanas
e
os seus respectivos implicantes primos são apresentados em cada função combinacional. Por
exemplo, a função J1 é composta pelos mintermos 1, 0 e 8 e
pelos
don’t care states
6, 14, 7,
15, 3, 11, 2, 10, 12 e 4. Os implicantes primos geram as funções mínimas. O custo total para
a implementação das quatro funções combinacionais (D2, J1, K1, D0 e Z0) é igual a 31.
Figura 6.6: Descrição gerada pelo programa Tabela para o detector da seqüência 10010.
110
O arquivo gerado pelo programa TABELA é utilizado como entrada do programa
TAB2VHDL, este por sua vez gera a descrição RTL na linguagem VHDL para o detector
da seqüência 10010 com sobreposição.
O código descrito pela ferramenta TAB2VHDL está apresentado na figura 6.7,
com a finalidade de mostrar a descrição VHDL gerada pela ferramenta para o detector da
seqüência 10010 com sobreposição. Nota-se que na entidade da descrição apresentada no
código RTL da figura 6.7, foram definidos os portos de entrada (X0) e saída (Z0) e os sinais
de sincronismo (CLK e CLR). Os sinais auxiliares (VE0, VE1 e VE2) são definidos com o
objetivo de evitar que se gerem vários
drivers
para um mesmo sinal.
Para cada
flip-flop
utilizado é criado um processo na descrição, assim três tipos de
processos foram criados na descrição da figura 6.7, dois para modelar o
flip-flop
D e outro
para modelar o
flip-flop
JK, ambos sensíveis a transição de subida. Entretanto como apenas
parte do código RTL foi apresentada é possível observar apenas dois processos.
Figura 6.7: Descrição RTL na linguagem VHDL gerada pelo programa TAB2VHDL.
111
Todo o processo de síntese digital é realizado para as metodologias de modelagem
4M e 5M, utilizando-se dos programas apresentados nesta subseção. Pode-se observar que
cinco programas são utilizados para realizar a síntese do sistema modelado em RdP. Os
programas PIPE2TAB4M, AGPS, TABELA e TAB2VHDL são usados para metodologia de
modelagem 4M. Enquanto, os programas PIPE2TAB5M, AGPS, TABELA e TAB2VHDL
são utilizados para a 5M.
O programa PIPE2VHDL4M foi desenvolvido com o propósito de gerar
automaticamente a descrição comportamental na linguagem VHDL para os sistemas
modelados em RdP Lugar/Transição, este ambiente de síntese foi desenvolvido para ser
aplicado à metodologia de modelagem 4M. Enquanto, o programa PIPE2VHDL5M gera a
descrição comportamental na linguagem VHDL para a RdP modelada através da metodologia
5M.
Os programas PIPE2VHDL4M e PIPE2VHDL5M utilizam como arquivo de
entrada a descrição PNML gerada pelo ambiente PIPE, onde o sistema foi modelado em RdP
Lugar/Transição, utilizando-se umas das metodologias desenvolvidas.
Parte da descrição gerada pelo PIPE2VHDL4M é apresentada na figura 6.8.
Observa-se que os portos de entrada e saída denominados x0 e z0 respectivamente, e o sinal
de sincronismo (
clock
) são definidos dentro da entidade (
ENTITY
). Os portos representam as
entradas e saídas do detector da seqüência 10010 com sobreposição modelado em RdP. Os
estados da máquina (A, B, C, D, E, F E G) são representados dentro da arquitetura como um
tipo de variável “tipo_estado”. Dentro da estrutura
Case
é defina a mudança de estados e
saídas da máquina modelada em RdP que representa o funcionamento do detector da
seqüência 10010 com sobreposição.
112
Os códigos VHDL gerados pelos programas PIPE2VHDL4M e PIPE2VHDL5M
são os mesmos para a mesma máquina modelada, a diferença está nas metodologias de
modelagem aplicadas e na descrição PNML obtidas por elas.
Figura 6.8: Descrição Comportamental na linguagem VHDL criada pelo programa PIPE2VHDL4M.
Na figura 6.9 é mostrado o resultado da simulação da descrição VHDL
comportamental realizada no ambiente Quartus II 6.0 da Altera. Pode-se observar que no
instante 30 ns ocorre a mudança do clock (sensível à borda de subida), neste instante a entrada
(x0) está no nível lógico 0, assim a máquina transita do estado “a” para o estado "b". Pode-se
113
notar que a saída permaneceu em nível lógico 0 durante esta transição. Já na transição
seguinte, ocorrida no instante 50 ns, nota-se novamente a mudança do clock e a entrada em
nível lógico 0, assim a máquina transita do estado “b” para o estado "c". No mesmo instante
observa-se que a saída continua no nível lógico "0". No instante 90 ns ocorre outra mudança
do clock, a máquina transita do estado “d” para o estado "e", neste instante observa-se que a
saída está em nível lógico "1". Dessa forma pode-se constatar que a simulação está de acordo
com o comportamento da descrição apresentada na figura 6.8, considerando-se o atraso de
cerca de 2 ns para a mudança dos estados e das saídas da máquina.
Figura 6.9: Simulação da descrição comportamental para o detector da seqüência 10010 com sobreposição.
6.1.2 Código de linha AMI
O código AMI (
Alternate Mark Inversion
) foi utilizado nas antigas linhas T1
(1,544 Mbps) e canais de 64Kbps americanos. O objetivo deste é eliminar o nível DC na linha
de transmissão, assim transforma a informação digital em um sinal ternário onde os “zeros”
são codificados pelo nível de tensão 0, enquanto que os “uns” são alternadamente codificados
por dois níveis de tensão simétricos +V e –V [37].
O projeto do código de linha AMI codifica os pulsos 0 em “0”, cuja alocação foi
adotada como “0”, e os pulsos 1, alternadamente em pulsos “+1” e “-1” onde se adotou
respectivamente as alocações “1” e “2”. Na figura 6.10 é apresentado o diagrama de transição
de estados para este código.
114
Figura 6.10: Diagrama de transição de estados para o código de linha AMI [37].
Observa-se no diagrama que quando ocorre a entrada de vários “uns”
consecutivos a máquina alterna entre os estados A → B, B → A e as saídas entre “+1” e “-1”.
As informações contidas no diagrama de estados são transcritas para a modelagem
em RdP, utilizando-se a metodologia de modelagem 4M. Na figura 6.11, apresenta-se a RdP
Lugar/Transição correspondente à máquina mostrada na figura 6.10. Observa-se que os
lugares A e B correspondem aos estados do diagrama que possuem a mesma denominação e
os lugares E0 e E1 representam as entradas 0 e 1 respectivamente, enquanto S0, S1, S2 as
saídas 0,1 e 2 que correspondem os pulsos 0, +1 e -1.
Figura 6.11: Modelo da RdP Lugar/Transição para o código de linha AMI, aplicando a metodologia 4M.
Utilizando-se a metodologia 5M para modelar o código de linha AMI, obtém-se a
RdP Lugar/Transição ilustrada na figura 6.12. Nota-se que as saídas da máquina são
representadas nas transições, ao invés de serem representadas por lugares como na RdP
apresentada na figura 6.11. As saídas são indicadas de acordo com o estado atual e a entrada
identificada. Observa-se na figura 6.12 que houve uma redução de cerca de 30% nos
elementos gráficos desta RdP em relação a rede ilustrada na figura 6.11.
Figura 6.12: Modelo da RdP Lugar/Transição para o código de linha AMI, aplicando a metodologia 5M.
1/+1
1/
-
1
0/0
A
B
0/0
115
Os lugares A e B correspondem aos estados do diagrama, os lugares E0 e E1 as
entradas 0 e 1 respectivamente e as saída são representadas nas transições da RdP.
Através das descrições PNML obtidas pelos modelos das RdP é possível utilizar
os programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M, estes por sua vez geram as tabelas de transição
de estados das RdP que modelam o código de linha AMI. A figura 6.13 mostra os arquivos
gerados pelos programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M.
Na primeira linha especifica-se a quantidade mínima de elemento(s) de
memória(s). No caso necessita-se no mínimo um elemento de memória, visto que o sistema
contém somente dois estados. Na linha imediatamente abaixo se especifica o tipo de elemento
de memória que será utilizado, neste caso o
flip-flop
tipo D foi informado para o arquivo
gerado pelo programa PIPE2TAB4M e o tipo JK para o gerado pelo programa PIPE2TAB5M.
Menciona-se na terceira linha a quantidade de entradas e de saídas. O sistema
projetado possui 1 porto de entrada e 2 portos de saídas.
Após a terceira linha são especificadas as transições dos estados e a saída gerada
por cada um deles de acordo com a entrada.
(a) (b)
Figura 6.13: Arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB4M (a) e PIPE2TAB5M (b) para o código de linha AMI.
O programa AGPS utiliza os arquivos gerados pelos PIPE2TAB4M e
PIPE2TAB5M, como informação de entrada. O arquivo de saída criada pelo AGPS para a
figura 6.13 (a) é mostrado na figura 6.14. Observa-se nesta que Figura os estados A e B
receberam a alocação dos valores 1 e 0.
116
Figura 6.14: Arquivo com a tabela de transição de estados gerada pelo programa AGPS para o código de linha
AMI.
A tabela gerada pelo AGPS é utilizada como arquivo de entrada no programa
TABELA. Na figura 6.15 é apresentada a descrição obtida pelo programa TABELA, todos os
mintermos e
don’t care states
das funções booleanas
e os seus respectivos implicantes primos
são apresentados em cada função combinacional. Por exemplo, a função D0 é composta pelos
mintermos 1e 2. Os implicantes primos geram as funções mínimas. O custo total para a
implementação das três funções combinacionais (D0, Z1 e Z0) é igual a 10.
Figura 6.15: Descrição gerada pelo programa Tabela para o código de linha AMI.
O arquivo gerado pelo programa TABELA é utilizado como entrada no programa
TAB2VHDL, o qual gera a descrição RTL na linguagem VHDL para o código de linha AMI.
117
Na figura 6.16 é exibida a descrição. Observa-se que é criado na descrição da figura 6.16
apenas um processo para modelar o
flip-flop
tipo D.
Figura 6.16: Descrição RTL gerada pelo programa TAB2VHDL para o código AMI.
Através das descrições PNML, os programas PIPE2VHDL4M e PIPE2VHDL5M
são utilizados a fim de obter uma descrição comportamental na linguagem VHDL para o
código de linha AMI modelado em RdP Lugar/Transição, pelas metodologias de modelagem
4M e 5M. A figura 6.17 mostra a descrição comportamental obtida pelo programa
118
PIPE2VHDL4M, sendo esta idêntica à descrição gerada pelo PIPE2VHDL5M para o mesmo
diagrama de estados. Nota-se que os portos de entrada (x0) e saída (z0 e z1) e o sinal de
sincronismo (
clock
) são definidos dentro da entidade (
ENTITY
), na descrição comportamental
apresentada na figura 6.17. Os estados da máquina (A e B) são representados dentro da
arquitetura como um tipo de variável “tipo_estado”. Dentro da estrutura
Case
é defina a
mudança de estados e saídas da máquina descrita.
Figura 6.17: Descrição comportamental na linguagem VHDL para o código AMI.
A descrição obtida pelo PIPE2VHDL4M, é simulada tanto no ambiente Quartus II
como no Max+Plus II. O resultado da simulação no Quartus II 6.0 é ilustrado na figura 6.18.
Observa-se que os estados A e B assumiram durante a simulação o estado lógico 0 e 1. No
instante 5 ns ocorre a mudança do clock (sensível à borda de subida), neste instante a entrada
(x0) está no nível lógico 1, assim a máquina transita do estado “A” para o estado "B" e gera a
saída z0=”0” e z1=”1”. Na transição ocorrida no instante 10 ns não há transição do clock para
119
a borda de subida, assim a máquina permanece no estado “B” representado na simulação pelo
nível lógico 1. No mesmo instante pode-se notar que a saída passa para o nível lógico z0=”1”
e z1=”0”, pois a entrada neste instante é novamente 1 (x0), para esta transição considera-se o
atraso de cerca de 2 ns. Já na transição seguinte, ocorrida no instante 65 ns, nota-se a mudança
do clock para o nível lógico 1 e a entrada com o valor lógico 1, assim a máquina transita do
estado “B” para o estado "A", neste instante observa-se que a saída passa para o nível lógico
z0=”1” e z1=”0”. Analisando as transições apresentadas na figura 6.18 pode-se constatar que
a simulação está de acordo com o comportamento da descrição apresentada na figura 6.17.
Figura 6.18: Simulação da descrição comportamental para o código de linha AMI.
6.1.3 FSM com duas entradas e uma saída
A FSM com duas entradas e uma saída apresentada nesta subseção, gera o valor
lógico 1 como saída do circuito 1 se as entradas 01, 10 ou 11 forem detectadas a partir do seu
estado inicial, neste caso representado pelo caractere “A”. A saída de valor lógico 0 sempre
será atribuída à entrada 00.
Entretanto há uma restrição para a entrada “10”. Caso o detector constate
anteriormente a ela, a entrada “00”, ele processará a saída como 0 na primeira vez que
detectar a entrada 10, assim a saída será processada como 1 somente quando esta for
identificada pela segunda vez consecutiva.
120
Na figura 6.19 é ilustrado o diagrama de transição de estados da FSM recém
descrita. Os estados A e C geram a mesma saída, de valor lógico 1, para três entradas
diferentes, 01, 10 e 11.
Figura 6.19: Diagrama de transição de estados para uma FSM com duas entradas e uma saída.
Para modelar a FSM apresentada na figura 6.19 em RdP Lugar/Transição foi
necessário converter as entradas de valores binários para decimais, assim ao converter as
entradas 00, 01, 10 e 11 em decimais obteve-se respectivamente os valores 0,1,2 e 3.
A modelagem da FSM em RdP Lugar/Transição, pela metodologia 4M está
mostrada na figura 6.20. Nota-se que os estados A, B e C do diagrama são representados por
lugares distintos na RdP e recebem a mesma nomenclatura atribuída no diagrama. As entradas
de valores lógicos binários 00, 01, 10 e 11 convertidos para os valores decimais 0, 1, 2 e 3,
são representados por E0, E1, E2, E3. Enquanto as saídas 0 e 1 correspondem
respectivamente aos lugares S0 e S1.
Figura 6.20: RdP Lugar/Transição para a FSM com duas entradas e uma saída, obtida pela metodologia 4M.
10/0
01/1
00/0
00/0
11/1
01, 10, 11/1
01, 10, 11/1
00/0
A
B
C
121
Por intermédio da metodologia de modelagem 5M é possível obter outro modelo
de RdP Lugar/Transição para a mesma FSM descrita nesta subseção, na figura 6.21 é
apresentada a RdP para o diagrama ilustrado na figura 6.19. Note-se que os lugares A, B e C
da rede correspondem aos estados e os lugares E1, E2, E3 e E4 às entradas de valores
decimais 1, 2, 3 e 4. As saídas na RdP são representadas junto às transições, conforme cada
estado e entrada. A RdP apresentada na figura 6.21 apresenta uma redução de cerca de 26%
dos elementos gráficos utilizados na modelagem aplicando-se a metodologia 5M em relação a
rede ilustrada na figura 6.20 modelada através da metodologia 4M.
Figura 6.21: RdP Lugar/Transição para a FSM com duas entradas e uma saída, obtida pela metodologia 5M.
Os modelos esquematizados no ambiente PIPE geram descrições PNML distintas,
que são utilizadas pelos programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M, estas são responsáveis
por transcrever as informações das FSM do tipo Mealy especificadas na RdP Lugar/Transição
em uma notação tabular, tal notação está representada na figura 6.22. Observa-se que na
primeira linha da notação especificam-se dois elementos de memória, que são mencionados
nas duas linhas abaixo, como do tipo D e JK para o 1º e 2º
flip-flop
da figura 6.22(a) e como
do tipo D para os
flip-flops
da figura 6.22(b). Na quarta linha têm-se especificados dois portos
de entrada e um porto de saída.
122
(a) (b)
Figura 6.22: Arquivos gerados pelas ferramentas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M para a FSM com duas entradas
e uma saída.
A configuração dos arquivos gerados pelos programas PIPE2TAB4M e
PIPE2TAB5M é utilizada como entrada pelo programa AGPS. O arquivo obtido pelo
programa AGPS é apresentada na figura 6.23. Observa-se no arquivo que os estados A, B e C
da figura 6.22 receberam respectivamente as alocações 2, 0 e 1.
Figura 6.23: Arquivo gerado pelo programa AGPS para a FSM com duas entradas e uma saída.
O arquivo mostrado na figura 6.23 é utilizado como entrada pelo programa
TABELA. Assim, a descrição da FSM, gerada pelo TABELA está exibida na figura 6.24.
Onde vemos que todos os mintermos e
don’t care states
das funções booleanas
e os seus
respectivos implicantes primos são apresentados em cada função combinacional. Por
exemplo, a função K1 é composta pelo mintermo 2 e pelos
don’t care states
0, 4, 8, 12, 1,
5, 9, 13, 15, 11, 7 e 3, o custo final para a implementação desta função é igual a 2. As
123
funções combinacionais J1, D0 e Z0 possuem o custo final da sua implementação igual a 3, 7
e 8. Totalizando a 20 o custo para a implementação das quatro funções. O custo total de todas
as funções é obtido através da soma do custo final de cada função. Os
don’t care states
gerais
são apresentados em forma de tabela na descrição obtida pelo programa TABELA.
A descrição gerada pelo programa TABELA é utilizado como entrada pelo
programa TAB2VHDL, assim sendo, obtém-se a descrição RTL na linguagem VHDL para a
FSM citada na figura 6.19.
Figura 6.24: Descrição gerada pelo programa Tabela para a FSM com duas entradas e uma saída.
124
Parte do código determinado pelo TAB2VHDL está exibida na figura 6.25. Nota-
se que na descrição da entidade apresentada no código RTL da figura 6.25, foram definidos os
portos de entrada (X0, X1) e saída (Z0) e os sinais de sincronismo (CLK e CLR). Dois tipos
de processos foram criados na descrição da figura 6.25, um para modelar o
flip-flop
D e outro
para modelar o
flip-flop
JK, ambos os processos são sensíveis a transição de subida.
Figura 6.25: Descrição RTL criada pelo programa TAB2VHDL para FSM com duas entradas e uma saída.
Por fim, utilizam-se os programas PIPE2VHDL4M e PIPE2VHDL5M para criar a
descrição comportamental da FSM com duas entradas e uma saída, na linguagem VHDL. O
125
emprego destes programas possibilita a síntese da máquina especificada em RdP
Lugar/Transição utilizando a metodologia 4M e/ou 5M.
A descrição obtida pelo programa PIPE2VHDL4M é apresentada na figura 6.26,
esta descrição é idêntica à gerada pelo PIPE2VHDL5M, pois a mesma FSM é modela
utilizando as metodologias 4M e 5M. Ao gerar a descrição o programa converte as entradas e
saídas da FSM, assim as entradas 0, 1, 2 e 3 são tratadas com 00, 01, 10 e 11.
Figura 6.26: Descrição comportamental obtida pelo programa PIPE2VHDL4M.
Na figura 6.27 é exibido o resultado da simulação realizada no ambiente
Max+Plus II 10.2 da Altera, para a descrição VHDL comportamental da FSM com duas
126
entradas e uma saída. Os valores 0, 1 e 2 correspondem aos estados A, B e C do modelo.
Assim no instante 25 ns ocorre a mudança do clock (sensível à borda de subida), neste
instante a entrada está no nível lógico x0=”0” e x1=”0”, assim a máquina transita do estado
“A” para o estado "B" e gera a saída z0=”0”. Na transição ocorrida no instante 75 ns ocorre
outra mudança no clock e a entrada possui valor lógico x0=”1” e x1=”0”, assim a máquina
transita do estado B para o C e gera a saída de valor lógico 0. Analisando as transições da
figura 6.27 pode-se constar que a simulação ocorre conforme a descrição apresentada na
figura 6.26.
Figura 6.27: Simulação da descrição comportamental para a FSM com duas entradas e uma saída.
6.1.4 Comparador de série
O comparador de série, descrito nesta subseção, foi projetado para comparar o
maior valor entre dois números binários, A e B. Os números são recebidos em série (bit a bit,
AB), onde o bit de menor peso (B) é recebido primeiro. O comparador analisa se o segundo
bit
recebido (A) é igual, maior ou menor que o anterior.
Na figura 6.28 é apresentada a máquina de Mealy que exibe o funcionamento do
comparador de série através do diagrama de estados. Nota-se que, caso os dois bits de entrada
sejam iguais, a máquina irá gerar a saída de valor lógico 100 e transitará para o estado Igual.
Se o segundo bit for menor à saída fornecida será 001, a máquina deslocar-se-á para o estado
Menor. Se o segundo bit for maior, a saída fornecida terá o valor 010 e a máquina irá para o
estado Maior.
127
Figura 6.28 : Máquina de Mealy para o comparador de série.
As informações contidas na máquina de Mealy são modeladas em RdP,
utilizando- se a metodologia de modelagem 4M e 5M.
Na figura 6.29, apresenta-se a RdP Lugar/Transição, obtida através da
metodologia 4M, correspondente a máquina mostrada na figura 6.28. Observa-se que os
lugares Igual, Menor e Maior representam os estados da máquina, enquanto que os lugares
E0, E1, E2 e E3 as entradas que correspondem aos valores binários 00, 01, 10 e 11. As saídas
001, 010 e 100 são representadas pelos lugares S1, S2 e S4 da rede. A marca existente no
lugar Igual representa a marcação inicial da RdP e o estado inicial da FSM do tipo Mealy.
Figura 6.29: Modelagem em RdP Lugar/Transição, obtida pela metodologia 4M, para o comparador de série.
Apresenta-se na figura 6.30 a RdP Lugar/Transição do comparador de série,
obtida utilizando-se a metodologia de modelagem 5M. Os lugares Igual, Menor e Maior
representam os estados do diagrama e os lugares E0, E1, E2 e E3 as entradas. As saídas estão
00, 11/100
01/001
10/010
10/010
01/001
01/001
10/010
Igual
Maior
Menor
00, 11 /100 00, 11 /100
128
representadas junto às transições. Observa-se que houve uma redução de cerca de 20% dos
elementos gráficos na modelagem da RdP da figura 6.30 em relação a rede da figura 6.29.
Figura 6.30: Modelagem em RdP Lugar/Transição para o comparador de série, obtida pela metodologia 5M.
Os programas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M utilizam as descrições PNML
obtidas pelos modelos das RdP como entrada, estes por sua vez geram as tabelas de transição
de estados das RdP que modelam o comparador de série. A figura 6.31 mostra os arquivos
gerados pelos programas. Observa-se que os dois elementos de memórias mencionados nos
arquivos da figura 6.31(a) e 6.31(b) são respectivamente do tipo JK e D para o 1º e 2º
flip-
flop
.
Especifica-se na quarta linha a quantidade de entradas e saídas do comparador.
Têm-se dois portos de entrada e três portos de saída.
A partir da quinta linha são especificadas as transições dos estados e a saída
gerada por cada um deles de acordo com cada entrada.
(a) (b)
Figura 6.31: Arquivos gerados pelos programas PIPE2TAB4M(a) e PIPE2TAB5M(b) para o comparador de
série.
129
A configuração dos arquivos gerados pelos PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M é
utilizada como entrada pelo programa AGPS. A descrição da tabela obtida pelo AGPS para o
arquivo 6.31 está ilustrada na figura 6.32. Observa-se que o AGPS aloca para os estados
Igual, Maior e Menor os valores decimais 1, 3 e 0, nesta ordem.
Figura 6.32: Arquivo gerado pelo programa AGPS.
O programa TABELA utiliza o arquivo mostrado na figura 6.32 como arquivo de
entrada. Assim a descrição do comparador, gerada pelo TABELA está exibida na figura 6.33.
Nota-se que todos os mintermos e
don’t care states
das funções booleanas e os seus
respectivos implicantes primos são apresentados em cada função combinacional. Por
exemplo, a função K0 é composta pelos mintermos 5 e 7 e pelos
don’t care states
0, 4, 8, 12,
14, 10, 6, 2 respectivamente, o custo final para a implementação desta função é igual a 2. As
funções combinacionais D1, J0, K0, Z2, Z1 e Z0 possuem o custo final da sua implementação
igual a 2, 4, 2, 6, 2 e 2. O custo total para a implementação das seis funções é igual a 18. O
custo total de todas as funções é obtido através da soma do custo de cada função.
130
Figura 6.33: Descrição gerada pelo programa TABELA para o comparador de série.
A descrição gerada pelo programa TABELA é utilizada como entrada pelo
programa TAB2VHDL, assim sendo, obtém-se a descrição RTL na linguagem VHDL para o
comparador de série ilustrado na figura 6.28.
Na figura 6.34 é exibida a descrição RTL gerada pelo programa TAB2VHDL.
Observa-se nesta figura que dois tipos de processos foram criados para modelar os elementos
de memória, o primeiro para modela o
flip-flop
JK e o segundo para modelar o
flip-flop
D,
ambos os processos são sensíveis a transição de subida.
131
Figura 6.34: Parte da descrição gerada pelo programa TAB2VHDL.
Por fim utilizam-se os programas PIPE2VHDL4M e PIPE2VHDL5M para obter
as descrições comportamentais na linguagem VHDL do comparador de série, através da
descrição PNML obtida pelo ambiente PIPE e pelas metodologias 4M e 5M. A figura 6.35
mostra a descrição comportamental obtida pelo PIPE2VHDL5M, esta descrição é idêntica à
gerada pelo PIPE2VHDL4M, pois a mesma FSM é modela utilizando as metodologias
distintas (4M e 5M). Observa-se que os portos de entrada (x0 e x1) e saída (z0, z1 e z2) e o
sinal de sincronismo (
clock
) são definidos dentro da entidade (
ENTITY
), na descrição
comportamental apresentada na figura 6.35. Os estados da máquina (Igual, Maior e Menor)
132
são representados dentro da arquitetura como um tipo de variável definida “tipo_estado”. Na
estrutura
Case
é definida a mudança de estados e saídas da máquina descrita.
Figura 6.35: Descrição comportamental obtida pelo programa PIPE2VHDL4M.
Na figura 6.36 é exibido o resultado da simulação realizada no ambiente
Max+Plus II 10.2 da Altera, para a descrição VHDL comportamental do comparador de série.
Os valores 0, 1 e 2 correspondem aos estados Igual, Menor e Maior. Observa-se na figura
6.36 que no instante 150ns ocorre a mudança do clock (sensível a borda de subida) e a entrada
neste instante tem valor lógico x0=’1’ e x1=’0’, assim a máquina transita do estado Igual (0)
para o Menor (1). Já na transição do estado Maior (2) para o Menor (1), ocorrida no instante
350ns incide devido a mudança do clock para o valor lógico 1 e pela entrada ser x0=’1’ e
x1=’0’. Já no instante 450 ns com uma nova mudança no clock a máquina transita do estado
133
Menor (1) para o Igual (0), sendo que a entrada neste instante é x0=’0’ e x1=’0’ e a saída da
máquina passa a ser z2=”0’, z1=”0” e z0= “1”. Considerando-se o atraso de 2ns.
Figura 6.36: Simulação da descrição comportamental para o comparador de série.
6.1.5 Código de Linha HDB3
O Código HDB3 (
High Desinty Bipolar 3
) é uma técnica de sinalização bipolar, ou
seja, depende tanto dos pulsos positivos quanto dos negativos.
O HDB3 é uma derivação do AMI (
Alternate Mark Inversion
), onde o "zero lógico" é
representado pela não alteração da polaridade e o "um lógico" pela alternância da polaridade.
As regras de codificação seguem as do AMI, com exceção de quando surge uma seqüência de
quatro zeros consecutivos onde é utilizado um bit especial de violação, isto é, 4 zeros
consecutivos são substituídos pela seqüência B00V ou 000V. Isto previne longas seqüências
de zeros no fluxo de dados. É utilizado em taxas de transmissão de 2,8 e 34 Mb/s.
Na figura 6.37 é mostrado o diagrama de estado do código HDB3 em hexadecimal
[37]. Nos nós do diagrama são representados os estados, esta representação é dada em forma
hexadecimal. Cada estado possui dois tipos de entradas e uma saída para cada entrada
fornecida. Por exemplo, se o estado atual for 10 e este processar a entrada 0, a saída + (01) é
gerada e o estado atual passará a ser 0C, caso contrário a saída gerada é 0 e novo estado será
1C.
134
Figura 6.37: Diagrama de estado do código HDB3 em Hexadecimal [40].
Transforma-se o diagrama de estado (de representação hexadecimal) para a
representação decimal, devido a sua modelagem em RdP Lugar/Transição, que será utilizada
pelos programas PIPE2TAB5M e PIPE2VHDL5M. A tabela 6.2 apresenta essa
transformação.
Tabela 6.2: Tabela de Conversão de Hexadecimal para Decimal
HEX DEC HEX DEC HEX DEC HEX DEC
00 0 08 8 10 16 18 24
01 1 09 9 11 17 19 25
02 2 0A 10 12 18 1A 26
03 3 0B 11 13 19 1B 27
04 4 0C 12 14 20 1C 28
05 5 0D 13 15 21 1D 29
06 6 0E 14 16 22 1E 30
07 7 0F 15 17 23 1F 31
Para a conversão do nível de tensão +, - e 0 estabeleceu-se que o binário 0
representará o sinal + e o binário 1 o sinal -, portanto +1 será 01 e -1 será 11 em binário,
convertendo para decimal, tem-se 1 e 3.
A modelagem em RdP Lugar/Transição do código de linha HDB3 foi efetuada
utilizando-se a metodologia 5M e o ambiente PIPE. Utilizou-se apenas a metodologia 5M,
devido a sua capacidade de modelagem ser superior, pois permite a modelagem de FSM com
mais estados. Como o HDB3 trata-se de uma FSM com 32 estados, modela-la utilizando a
metodologia 4M, torna inviável para a análise do modelo da RdP. Caso o HDB3 fosse
1E
00
00
01
02
03
07
06
05
04
0E
0D
0A
0C
08
09
0F
0B
10
1F
1C
1A
1B
1D
11
13
17
12
14
15
16
18
19
1/0
0/0
0/+
1/
-
1/
-
1/+
1/0
1/+
1/
-
0/0
0/0
0/
-
0/
-
0/+
0/0
0/
-
0/+
0/0
1/+
0/+
1/0
1/0
0/+
0/
-
0/0
0/0
1/0
1/0
1/0
1/+
1/0
1/
-
0/0
0/+
0/+
0/+
0/+
0/+
0/
-
0/
-
0
/0
0/0
0/
-
1/0
1/0
1/0
1/0
1/0
1/0
0/0
0/
-
1/0
1/+
0/0
1/
-
1/
-
1/+
1/0
0/0
0/0
1/+
1/
-
135
modelado utilizando a metodologia 4M, seriam necessários 37 lugares para representar seus
estados, entradas e saídas, 64 transições para efetuar a mudança de estados e 256 arcos para
conectar o estado atual e a entrada à transição e a transição ao próximo estado e a saída da
máquina. Enquanto, na metodologia 5M utilizaram-se 34 lugares, 64 transições e 192 arcos.
Na figura 6.38 é apresentada a modelagem em RdP Lugar/Transição para o código de
linha HDB3. Os arcos que ligam os lugares de entrada às transições que representam a saída
ficaram sobrepostos devido ao espaço de modelagem disponibilizado pelo ambiente PIPE e a
disposição dos lugares de estados que utilizam a mesma entrada.
Figura 6.38: Modelagem do código HDB3 em RdP.
Observa-se na figura 6.38 que as entradas da máquina são representadas pelos lugares
nomeados E0 e E1, que correspondem às entradas de valores lógicos 0 e 1 respectivamente.
Os 32 estados são representados por lugares nomeados com o caractere “G” e acompanhado
de um número decimal que corresponde ao valor hexadecimal apresentado nos estados do
diagrama ilustrado na figura 6.37. Por se tratar de uma máquina de Mealy as saídas são
136
representadas nas transições. As saídas 00, 01 e 10 são representadas nas transições da RdP
por S0, S1 e S3, que correspondem aos valores decimais 0,1 e 3.
A descrição PNML gerada pelo PIPE, para a RdP Lugar/Transição da figura 6.38 que
modela o código de linha HDB3 é utilizada como arquivo de entrada pelo programa
PIPE2TAB5M, para gerar a tabela de transição de estados. A tabela gerada pelo programa é
apresentada na figura 6.39. Observa-se na figura que a quantidade mínima de
flip-flops
utilizado para representar o HDB3 é cinco, sendo atribuído os tipos D, D, JK, D e D.
Figura 6.39: Tabela gerada pelo programa PIPE2TAB5M para o código de linha HDB3.
O arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M é utilizado como entrada pelo
programa AGPS. A descrição da tabela obtida pelo AGPS é mostrada na figura 6.40.
Observa-se na tabela que os estados G0, G1, G2, G3, G4, G5, G6, G7, G8, G9, G10, G11,
137
G12, G13, G14, G15, G16, G17, G18, G19, G20, G21, G22, G23, G24, G25, G26, G27, G28,
G29, G30, G31 receberam respectivamente as alocações 26, 19, 4, 0, 12, 8, 6, 18, 9, 17, 10,
16, 22, 24, 2, 1, 13, 25, 30, 7, 14, 5, 15, 23, 3 , 29, 27, 21, 31, 11, 20 e 28.
Figura 6.40: Tabela gerada pelo programa AGPS.
A tabela gerada pelo AGPS é utilizada como arquivo de entrada para o programa
TABELA.
A descrição gerada pelo TABELA é utilizada pelo programa TAB2VHDL, como
arquivo de entrada. Na figura 6.41 é exibida a escrição RTL na linguagem VHDL gerada pelo
programa TAB2VHDL, nesta descrição são criados cinco processos para descrever os
flip-
flops
D, D, Jk D e D.
138
Figura 6.41: Parte da descrição gerada pelo programa TAB2VHDL.
O programa PIPE2VHDL5M é utilizado para obter a descrição comportamental
na linguagem VHDL do código de linha HDB3, através da sua descrição PNML obtida pela
modelagem da sua RdP Lugar/Transição no ambiente PIPE, utilizando a metodologia 5M. A
figura 6.42 mostra a descrição comportamental para o HDB3. Observa-se que os portos de
entrada (x0) e saída (z0 e z1) e o sinal de sincronismo (
clock
) são definidos dentro da
entidade (
ENTITY)
. Dentro da estrutura
Case
é definida a mudança de estados e saídas da
máquina descrita.
139
Figura 6.42: Parte da descrição comportamental gerada pelo programa TAB2VHDL.
Na figura 6.43 é ilustrado o resultado da simulação realizada no ambiente Quartus
II 6.0 da Altera, para a descrição VHDL comportamental do código HDB3. Onde observa-se
no instante 10 ns, o clock transitando para o nível lógico 1 e a entrada (x0) com valor lógico
0, conseqüentemente a máquina transita do estado “G0” para o estado "G20". No mesmo
instante pode-se notar que a saída permaneceu em nível lógico "00". Já no instante 30 ns,
nota-se que há outra mudança do clock e que a entrada possui valor lógico 1, assim a máquina
transita do estado “G20” para o estado "G30". No mesmo instante observa-se que a saída
permaneceu em nível lógico "00". No instante 90 ns, observa-se que a mudança do clock para
140
o nível lógico 1 e a entrada possuindo o valor lógico 0, faz com que a máquina transite do
estado “G21” para o estado " G18". No mesmo instante observa-se que a saída está em nível
lógico "01". Dessa forma pode-se constatar que a simulação está de acordo com o
comportamento da descrição apresentada na figura 6.43, considerando-se o atraso de cerca de
2 ns para a mudança dos estados e das saídas.
Figura 6.43: Simulação da descrição comportamental para o código de linha HDB3.
É importante salientar que a síntese de alto nível é atingida pelos ambientes
computacionais desenvolvidos, onde se obtêm as descrições VHDL dos sistemas modelados
em RdP. Portanto as descrições RTL e comportamental dos sistemas são obtidas a partir de
sua especificação em alto nível de abstração e convertidas para um nível inferior.
6.2 Testes Aplicados à Metodologia 5M
Utilizando-se a metodologia 5M para a modelagem das FsM do tipo Moore
apresentar-se-ão nesta subseção os resultados obtidos pelos programas PIPE2TAB5M,
PIPE2VHDL5M, AGPS e Tabela, através da utilização da modelagem das FSM do tipo
Moore. O detector da seqüência de bits 11, o código de linha AMI e a FSM com duas entradas
e uma saída, compõem o espaço amostral dos testes utilizados nesta subseção.
141
6.2.1 Detector para a seqüência 11 com sobreposição
O detector apresentado nesta subseção possui a finalidade de identificar a
seqüência 11, em uma seqüência de pulsos (1 e 0) fornecida como entrada, assim sua saída
terá o nível lógico 1 toda vez que a seqüência for detectada, mesmo quando for identificada
com sobreposição.
Na figura 6.44 é apresentada a FSM do tipo Moore que descreve o detector. O
estado A é o estado inicial da máquina e fornece a saída de nível lógico 0. O deslocamento
para os demais estados ocorre de acordo com o valor lógico da entrada. Caso a máquina esteja
no estado A e receba como entrada “1”, a máquina passará para o estado B que fornece a
saída “0”, se em seguida for identificada outra entrada “1”, a máquina deslocará para o estado
C que tem como saída o valor lógico 1. A mesma lógica é utilizada para todos os estados da
máquina, onde cada um analisa todas as entradas possíveis.
Figura 6.44: Máquina de Moore para o detector da seqüência 11 com sobreposição.
Utilizando-se o ambiente PIPE e a metodologia 5M para modelar o detector desta
subseção, obtém-se a RdP Lugar/Transição apresentada na figura 6.45. Os estados da máquina
são representados na rede pelos lugares A/S0, B/S0 e C/S1, que também representam suas
respectivas saídas, de valores lógicos 0 (S0) e 1 (S1). As entradas de valores lógicos 0 e 1 são
representadas pelos lugares E0 e E1.
A modelagem ilustrada na figura 6.45, realizada no ambiente PIPE, gera uma
descrição PNML que é utilizada pelo programa PIPE2TAB5M, que transcreve as informações
0
A/S0
B/S0
C/S1
0
1
1
0
1
142
da FSM especificada pelo modelo em RdP na forma de tabela. O arquivo gerado pelo
PIPE2TAB5M é mostrado na figura 6.46.
Figura 6.45: RdP Lugar/Transição para o detector da seqüência 11 com sobreposição, obtida pela metodologia
5M.
Observa-se na figura 6.46 que a primeira linha do arquivo especifica-se a
quantidade mínima dos elementos de memórias, neste caso são dois elementos utilizados,
esses são mencionados nas duas linhas abaixo, como do tipo JK e D respectivamente para o 1º
e 2º
flip-flop
.
Na quarta linha tem-se a quantidade de entradas e saídas, ou seja, um porto de
entrada e um porto de saída.
As transições dos estados e a saída gerada por cada um deles são especificadas a
partir da quinta linha, conforme cada entrada.
Figura 6.46: Arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M
O arquivo obtido pelo PIPE2TAB5M é utilizado como entrada pelo programa
AGPS. Na figura 6.47 é ilustrada o arquivo gerado pelo AGPS. Nota-se que o AGPS alocou
os valores 2, 0 e 3 para os estados A, B e C, exatamente na ordem que foram descritos.
143
Figura 6.47: Arquivo gerado pelo programa AGPS para o detector da seqüência 11 com sobreposição.
O programa TABELA utiliza o arquivo ilustrado na figura 6.47 como arquivo de
entrada. Assim a descrição do detector, gerada pelo programa TABELA está apresentada na
figura 6.48. as funções combinacionais D1, J0, K0 e Z0 possuem o custo final da sua
implementação igual a 6, 2, 1 e 1. O custo total para a implementação das quatro funções é
igual a 10. O custo total de todas as funções é obtido através da soma do custo final de cada
função.
Figura 6.48: Descrição gerada pelo programa Tabela para o detector da seqüência 11 com sobreposição.
144
Com o propósito de obter a descrição comportamental na linguagem VHDL do
detector da seqüência 11 com sobreposição, através da descrição PNML obtida pelo ambiente
PIPE, utiliza-se o programa PIPE2VHDL5M. A figura 6.49 mostra a descrição
comportamental obtida pelo PIPE2VHDL5M. Nota-se que dentro da estrutura
Case
é definida
a mudança de estados e saídas da máquina descrita, de acordo com a entrada que é processada
por cada estado. As variáveis Atual e x0 constituem a lista de sensibilidade do processo que
descreve a estrutura
Case
.
Figura 6.49: Descrição comportamental para máquina de Moore gerada pelo programa PIPE2VHDL5M.
Observa-se que as descrições VHDL gerada para as máquinas de Moore são
diferentes das de Mealy, devido às saídas dependerem apenas do estado atual da máquina,
assim a cada estado é atribuída uma única saída, que é representada pela variável “z0” dentro
da função c
ase
.
Na figura 6.50 é mostrado o resultado da simulação realizada no ambiente Quartus
II 6.0 da Altera, para da descrição comportamental do detector da seqüência 11 com
sobreposição na linguagem VHDL. Nota-se na figura 6.50, na transição ocorrida no instante
30 ns que a máquina transita do estado “a” para o estado "b". No mesmo instante pode-se
notar que a saída permaneceu em nível lógico "0" e o
clock
assumiu nível lógico "1". Já na
transição seguinte, ocorrida no instante 50 ns, nota-se que a máquina transita do estado “b”
para o estado "a". No mesmo instante observa-se que a saída permaneceu em nível lógico "0"
145
e o
clock
assumiu nível lógico "1". No instante 90 ns, a máquina transita do estado “b” para o
estado "c". No mesmo instante observa-se que a saída passa para o nível lógico "1". Dessa
forma pode-se constatar que a simulação está de acordo com o comportamento da descrição
apresentada na figura 6.49, considerando-se o atraso de cerca de 2 ns para a mudança dos
estados e das saídas.
Figura 6.50: Simulação da descrição comportamental para o detector da seqüência 11 com sobreposição.
6.2.2 Código de linha AMI
O projeto do código de linha AMI apresentado nesta subseção é semelhante ao
descrito na seção 6.1.2, pois possui o mesmo funcionamento, a diferença está na
representação do diagrama de estados, ou seja, o tipo de máquina utilizada.
A representação ilustrada na figura 6.51 é diferente da figura 6.10 da seção 6.1.2,
apenas pelo modelo da máquina utilizada no diagrama de estados, que em vez de ser do tipo
Mealy é de Moore, porém a lógica do seu funcionamento é a mesma. Na figura 6.52 o AMI
está representado em máquina de Moore.
Figura 6.51: Diagrama de estados representado em máquina de Moore para o código de linha AMI.
0
0
1
0
A/0
D/-1
B/+1
1
1
C/0
1
0
146
Utilizando-se a metodologia de modelagem 5M e o ambiente PIPE para modelar o
código de linha AMI, obtém-se a RdP Lugar/Transição apresentada na figura 6.52. Observa-
se que cada um dos estados da máquina ilustrados na figura 6.51 são representados por
lugares distintos na RdP, que recebem a denominação A/S0, B/S1, C/S0 e D/S2, para os
estados A, B, C e D, esses representam ao mesmo tempo as saídas 0, +1 e -1 (0, 1 e 2).
Figura 6.52: RdP Lugar/Transição para o código de linha AMI, representada em máquinas de Moore.
A descrição PNML obtida pelo modelo da RdP Lugar/Transição é utilizada pelo
programa PIPE2TAB5M, para gerar a tabela de transição de estados da RdP que modela a
máquina de Moore para o código de linha AMI. A figura 6.53 mostra o arquivo gerado pelo
programa PIPE2TAB5M. Observa-se que os dois elementos de memórias mencionados nesta
tabela são respectivamente do tipo D e JK para o 1º e 2º
flip-flops
.
Especifica-se, na quarta linha, a quantidade de entradas e saídas do AMI. Têm-se
um porto de entrada e dois portos de saída.
Figura 6.53: Arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M para o código de linha AMI.
147
O programa AGPS utiliza o arquivo gerado pelo PIPE2TAB5M, como
informação (arquivo) de entrada. A tabela de saída criada pelo AGPS é mostrada na figura
6.54. Observa-se nesta que os estados A, B, C e D receberam a alocação dos valores 0, 1, 3 e
2 respectivamente.
Figura 6.54: Tabela gerada pelo programa AGPS.
A tabela gerada pelo AGPS é utilizada como arquivo de entrada para o programa
Tabela. Na figura 6.55 é apresentada parte da descrição dos mintermos e das funções da FSM
modeladas em RdP. Para a descrição da figura 6.55 tem-se que as funções combinacionais J1,
K1, D0, Z1 e Z0 possuem o custo final da sua implementação igual a 1, 1, 6, 2 e 2. O custo
total para a implementação das cinco funções é igual a 12. O custo total de todas as funções é
obtido através da soma do custo final de cada função.
Figura 6.55: Descrição gerada pelo programa Tabela para o código de linha AMI
148
O programa PIPE2VHDL5M também utiliza a descrição PNML gerada pelo
PIPE, com o propósito de obter a descrição comportamental na linguagem VHDL para o
código de linha AMI modelado em RdP, utilizando-se da definição de máquina de Moore. A
figura 6.56 mostra a descrição comportamental obtida pelo programa. Observa-se que os
portos de entrada (x0) e saída (z0 e z1) e o sinal de sincronismo (
clock
) são definidos dentro
da entidade (
ENTITY
). Os estados da máquina (A, B, C e D) são representados dentro da
arquitetura como um tipo de variável definida “tipo_estado”. Dentro da estrutura
Case
é
definida a mudança de estados e saídas da máquina descrita.
Figura 6.56: Descrição comportamental para máquina de Moore gerada pelo programa PIPE2VHDL5M.
A descrição obtida pelo programa PIPE2VHDL5M foi simulada no ambiente
Quatus II 6.0. O resultado da simulação é ilustrado na figura 6.57. Nota-se na transição
ocorrida no instante 30 ns, a máquina transita do estado “a” para o estado "b". No mesmo
instante pode-se notar que a saída permaneceu em nível lógico "00" e o
clock
assumiu nível
lógico "1". Já na transição seguinte, ocorrida no instante 50 ns, a máquina transita do estado
149
“b” para o estado "c". No mesmo instante observa-se que a saída permaneceu em nível lógico
"01" e o
clock
assumiu nível lógico "1". No instante 70 ns, nota-se que a máquina transita do
estado “c” para o estado "d". No mesmo instante observa-se que a saída está em nível lógico
"00". Dessa forma pode-se constatar que a simulação está de acordo com o comportamento da
descrição apresentada na figura 6.56, considerando-se o atraso de cerca de 2 ns para a
mudança dos estados e das saídas.
Figura 6.57: Simulação da descrição comportamental da máquina de Moore, para o código de linha AMI.
6.2.3 FSM com duas entradas e uma saída
A FSM apresentada nesta subseção é semelhante à descrita na seção 6.1.3, pois
possui o mesmo funcionamento, a diferença está na representação do seu diagrama de estados,
ou seja, o tipo de máquina utilizada, nesta subseção utilizou se a máquina de Moore ao invés
da Mealy. Na figura 6.58 é apresentada a máquina de Moore para FSM com duas entradas e
uma saída.
Figura 6.58: Diagrama de estados representado em máquina de Moore para FSM com duas entradas e uma saída.
Na figura 6.59 é ilustrada a modelagem em RdP Lugar/Transição para a FSM
mostrada na figura 6.58. Nota-se no modelo da RdP que os lugares A/S1, B/S0, C/S0 e D/S1
00
10
01, 11
00
01, 11
01, 10, 11
A/1
01, 10, 11
D/1
B/0
10
00
C/0
00
150
correspondem aos lugares A, B, C e D da máquina de Moore, que possuem como saída os
valores lógicos 1, 0, 0 e 1. As entradas da máquina são modeladas pelos lugares E0, E1, E2 e
E3, que representam os valores binários 00, 01, 10 e 11.
Figura 6.59: RdP Lugar/Transição para a FSM com duas entradas e uma saída, representada em máquinas de
Moore.
O arquivo gerado pelo ambiente PIPE, relativo ao modelo da RdP apresentado na
figura 6.59, é utilizado como entrada pelo programa PIPE2TAB5M, este por sua vez gera a
tabela de transição de estados da RdP que modela a FSM com duas entradas e uma saída.
A figura 6.60 mostra o arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M. Nota-se que
os dois elementos de memórias mencionados na figura 6.60 são respectivamente do tipo D
para o 1º e 2º
flip-flops
.
Especifica-se na quarta linha a quantidade de entradas e saídas do AMI. Têm-se
dois portos de entrada e um porto de saída.
Figura 6.60: Arquivo gerado pelo programa PIPE2TAB5M para a FSM com duas entradas e uma saída.
151
O programa AGPS utiliza o arquivo gerado pelo PIPE2TAB5M, como arquivo de
entrada. O arquivo de saída criado pelo AGPS é mostrada na figura 6.61. Observa-se neste
que os estados A, B, C e D receberam as alocações 2, 3, 1 e 0, respectivamente.
Figura 6.61: Arquivo gerado pelo programa AGPS.
O arquivo gerado pelo AGPS é utilizado como arquivo de entrada pelo programa
TABELA. Na figura 6.62 é apresentada a descrição obtida pelo TABELA para a FSM
apresenta nesta subseção. Observa-se que as funções combinacionais D1, D0 e Z0 possuem o
custo final da sua implementação igual a 9, 7 e 1. O custo total para a implementação das três
funções é igual a 17. O custo total de todas as funções é obtido através da soma do custo final
de cada função.
Figura 6.62: Descrição gerada pelo programa Tabela para FSM com duas entradas e uma saída
152
Por fim utiliza-se o programa PIPE2VHDL5M para obter a descrição
comportamental na linguagem VHDL da FSM com duas entradas e uma saída modelada em
RdP Lugar/Transição. A figura 6.63 exibe a descrição comportamental obtida pelo programa.
Nota-se que os portos de entrada (x0 e x1), saída (z0) e o sinal de sincronismo (
clock
) são
definidos dentro da entidade (
ENTITY
). Os estados da máquina (A, B, C e D) são
representados dentro da arquitetura como um tipo de variável definida “tipo_estado”. Dentro
da estrutura
Case
é definida a mudança de estados e saídas da máquina descrita. Nota-se na
descrição que para cada estado é atribuída uma única saída (z0), isto ocorre, pois às saídas nas
máquinas de Moore dependem apenas do estado atual.
Figura 6.63: Descrição comportamental para máquina de Moore gerada pelo programa PIPE2VHDL5M.
O resultado da simulação realizada no ambiente Quatus II 6.0 para a descrição
comportamental obtida pelo programa PIPE2VHDL5M está ilustrado na figura 6.64.
153
Observa-se nesta figura na transição ocorrida no instante 50 ns, a máquina transita do estado
“a” para o estado "b". No mesmo instante pode-se notar que a saída permaneceu em nível
lógico "1" e o
clock
assumiu nível lógico "1". Já na transição seguinte, ocorrida no instante 70
ns, nota-se que a máquina transita do estado “b” para o estado "c". No mesmo instante
observa-se que a saída permaneceu em nível lógico "0" e o
clock
assumiu nível lógico "1". No
instante 90 ns, nota-se que a máquina transita do estado “c” para o estado "d". No mesmo
instante observa-se que a saída está em nível lógico "0". Dessa forma pode-se constatar que a
simulação está de acordo com o comportamento da descrição apresentada na figura 6.64,
considerando-se o atraso de cerca de 2 ns para a mudança dos estados e das saídas.
Figura 6.64: Simulação da descrição comportamental da máquina de Moore, para FSM com duas entradas e uma
saída.
154
C
ONCLUSÕES
Neste trabalho apresentou-se duas metodologias, denominadas 4M e 5M,
utilizadas para modelar máquina de estados finitos em RdP Lugar/Transição e quatro
ferramentas de síntese denominadas PIPE2TAB4M, PIPE2VHDL4M, PIPE2TAB5M e
PIPE2VHDL5M, que convertem o modelo da rede de Petri em uma descrição VHDL
correspondente a máquina modelada.
As metodologias desenvolvidas auxiliam o projeto de sistemas digitais,
possibilitando a modelagem de FSM do tipo Mealy ou Moore em alto nível de abstração. Este
tipo de abstração facilita a visualização e o entendimento do funcionamento do sistema.
Sendo assim a simulação da RdP contribui na visualização do funcionamento dos sistemas
modelados, permitindo a identificação de um possível erro de projeto.
Aplicando se as metodologias 4M e 5M para a modelagem da mesma FSM em
RdP, observou-se que a quantidade de elementos gráficos utilizados pela metodologia de
modelagem 5M é inferior em relação ao modelo da RdP obtido pela metodologia 4M,
chegando a ter uma redução de cerca de 20% dos elementos gráficos.
As ferramentas PIPE2TAB4M e PIPE2VHDL4M foram desenvolvidas para
analisar os modelos da RdP obtidos pela metodologia de modelagem 4M, gerando a tabela de
transição de estados e o código VHDL da FSM modela em RdP, enquanto que as
PIPE2TAB5M e PIPE2VHDL5M consideram os modelos da RdP obtidos pela metodologia
5M.
Procurou-se modelar a mesma FSM utilizando-se as duas metodologias com o
propósito de comparar as saídas resultantes de cada uma. Observou-se que as tabelas geradas
pelas ferramentas PIPE2TAB4M e PIPE2TAB5M eram iguais para a mesma FSM modelada
em RdP por metodologias distintas, os códigos VHDL gerados pelas PIPE2VHDL4M e
155
PIPE2VHDL5M também eram semelhantes para as metodologias distintas, que modelava a
mesma FSM.
As metodologias estabelecidas e as ferramentas desenvolvidas foram validadas
aplicando-se os testes do espaço amostral, assim verificou-se seus resultados práticos,
simulando-os nos ambientes Quartus II 6.0 e MaxPlus II 10.2, ambos da Altera.
Procurou-se simular os projetos nos dois ambientes, para analisar as diferenças
que poderiam ocorrer em cada simulação. Notou-se que o atraso na mudança das variáveis de
estados e saídas eram maior na simulação no Quartus II do que no Max+Plus II e que o
ambiente Quartus II não suportava a simulação do código VHDL gerado pelas ferramentas
para FSM com várias entradas e saídas, sendo que a compilação ocorria sem nenhum
problema. O atraso observado durante a simulação no Quartus II era superior cerca de 0,4 ns
em relação ao do Max+Plus II, sendo assim este atraso não é significativo para desconsiderar
a validade dos resultados obtidos.
Em trabalhos futuros podem-se desenvolver metodologias e ferramentas que
trabalhem com o projeto de máquinas assíncronas. A integração das ferramentas em um único
ambiente de projeto e o uso de outras extensões de RdP nas metodologias de modelagens
desenvolvidas também pode ser considerado.
156
R
EFERÊNCIAS
[1] CHANG, N.; KWON, W. H.; PARK, J. FPGA – based implementation of synchronous
Petri nets. Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, 1996. Proceedings of
the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on, Raleigh, v. 1, p.934-939,
Aug. 1996. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=4195 >.
Acessado em: 29 Jan. 2006.
[2] FERNANDES, J. M; PROENÇA, A. J. Redes de Petri na especificação e validação de
controladores paralelos. In: CONFERÊNCIA NACIONAL DO COLÉGIO DE
ENGENHARIA ELETROTÉCNICA, 1, 1994, Lisboa. Encontro... Lisboa: Universidade
do Minho, 1994. p. 113-118.
[3] OLIVERIA, W.L.A.; MARRANGHELLO, N.; DAMIANI, F. Modeling a processor with
a Petri net extension for digital systems, In: DESIGN, ANALYSIS AND SIMULATION
OF DISTRIBUTED SYSTEMS, 2004, Washington. Proceedings.... San Diego:
Simulation Councils, 2004. p. 208-215.
[4] MIRKOVSKI, J.; YAKOVLEV, A. A Petri net model for embedded systems. In:
WORKSHOP ON DESIGN AND DIAGNOSTICS OF ELECTRONIC CIRCUITS AND
SYSTEMS, 2, 1998, Poland. Proceedings... Poland: Szczyrk, 1998. p. 313-321.
[5] MACIEL, P. R. M.; BARROS, E. N. S.; ROSENSTIEL, W. A Petri net model for
hardware/software codesign, Design Automation for Embedded Systems Journal,
Boston, v. 4, n.4, p. 243-310, 1999.
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[42] ALTERA. ALTERA web site. Disponível em: <https://www.altera.com>. Acesso em: 15
nov. 2006.
160
A
PÊNDICE
Código Fonte do Programa PIPE2TAB4M
# UNESP Ilha Solteira
#Programa: PIPE2TAB4M
#Objetivo: Este programa tem por objetivo transformar a descrição PNML da RdP que modela uma FSM para
uma tabela de transição de estados.
#Programadora: Giorjety Licorini Dias.
# -*- coding: cp1252 -*-
x=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de entrada \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo.extenção'\n")
arquivo= open (x,'r')
y=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de saída \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo. extenção'\n")
arquivocopia= open (y,'w+')
arquivo.seek(0)
b1=arquivo.read()
b=b1.splitlines()
c1=4 # Variável utilizada no while
QEs=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de estados da RdP
QE=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de entradas da RdP
QS=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de saídas da RdP
saida=0
while "Fim" not in b[c1-1]:
if "nome do lugar = E" in b[c1]:
p1=b[c1].rfind ('E')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
if parametro <> '':
QE=QE+1
QEs=QEs-1
elif "nome do lugar = S" in b[c1]:
p1=b[c1].rfind ('S')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
parametro=int(parametro)
if parametro > saida:
saida=parametro
if parametro <> '':
QEs=QEs-1
QEs=QEs+1
c1=c1+3
entrada=QE
QS=saida+1
saida=QS
import math # importando o módulo matemático que provê a maioria das funções matemáticas mais familiares
QE = math.log(QE)/math.log(2.0)
if QE > int (QE):
QE= int (QE)+1
else:
QE= int (QE)
QS = math.log(QS)/math.log(2.0)
if QS > int (QS):
QS= int (QS)+1
else:
QS= int (QS)
QFF= math.log(QEs)/math.log(2.0)# Cálculo para a quantidade de Flip Flops
if QFF > int (QFF):
QFF= int (QFF)+1
else:
QFF= int (QFF)
linha=QEs*entrada
coluna=3
QEs = str (QEs)
QFF = str (QFF)
161
QE = str (QE)
QS = str (QS)
arquivocopia.write (QFF)
QFF = int (QFF)
i=1
while i <= QFF:
y=str(i)
x=raw_input ("Digite o tipo do flip flop " + y + "\n")
arquivocopia.write ("\n" + x)
i=i+1
arquivocopia.write ("\n" + QE + ' ' + QS)
c2=c1+3
while "Arco" not in b [c2]:
c2=c2+2
c1=4 # Variável utilizada no while
matriz=[[]]
while "Fim" not in b[c1-1]:
p1=b[c1].rfind ('=')
p2=b[c1].rfind ('')
if "E" not in b[c1] or ("0" not in b[c1] and "1" not in b[c1] and "2" not in b[c1] and "3" not in b[c1] and "4" not in
b[c1] and "5" not in b[c1] and "6" not in b[c1] and "7" not in b[c1] and "8" not in b[c1] and "9" not in b[c1]):
Atual=b[c1][p1+2:p2]
c1=c1-1
p1=b[c1].rfind ('P')
p2=b[c1].rfind ('')
Atual1=b[c1][p1:p2-1]
c1=c1+1
c3=c2
while "Arco de T" not in b[c3]:
p1=b[c3].find ('P')
p2=b[c3].rfind ('p')
lugar=b[c3][p1:p2-1]
if lugar == Atual1:
p1=b[c3].rfind ('T')
p2=b[c3].rfind ('')
transicao=b[c3][p1:p2-1]
c4=c2
while "Arco de T" not in b[c4]:
c4=c4+5
c5=c4
while "Fim da RdP" not in b[c5+1]:
p1=b[c5].find ('T')
p2=b[c5].find ('p')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao:
p1=b[c5].rfind ('P')
p2=b[c5].rfind ('')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1 and ("S" not in b[c6+1] or ("0" not in b[c6+1] and "1" not in b[c6+1]and "2" not
in b[c6+1]and "3" not in b[c6+1]and "4" not in b[c6+1]and "5" not in b[c6+1]and "6" not in b[c6+1]and "7" not in
b[c6+1]and "8" not in b[c6+1]and "9" not in b[c6+1])):
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Proximo=b[c6][p1+2:p2]
c6=c6-1
if lugar2 == lugar1 and "S" in b[c6+1]:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Saida=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
162
c6=c6+3
c5=c5+5
c5=c2
n=0
while "Arco de T" not in b[c5]:
p1=b[c5].rfind ('T')
p2=b[c5].rfind ('')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
p1=b[c5].find ('P')
p2=b[c5].rfind ('p')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao and lugar1<>Atual1:
c6=3
while "Fim" not in b[c6] and n==0:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Entrada=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
matriz=matriz+[[Atual,Proximo,Entrada,Saida]]
c3=c3+5
c1=c1+3
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<(linha-entrada):
while l1<=(linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
linha1=entrada
while l<=linha:
l1=1
while l+l1<=linha1:
if matriz[l][2]>matriz[l1+l][2]:
i=0
while i<=coluna:
elemento=matriz[l][i]
matriz[l][i]=matriz[l1+l][i]
matriz[l1+l][i]=elemento
i=i+1
l1=l1+1
l=l+1
if l==linha1:
linha1=linha1+entrada
l=l+1
l=1
if ('0'or '1' or '2'or '3' or '4'or '5' or '6'or '7' or '8'or '9') in matriz[1][0]:
while l<=linha:
163
p1=matriz[l][0].find ('')
p2=matriz[l][0].rfind ('')
elemento=matriz[l][0][p1+1:p2]
caractere=matriz[l][0][p1:p2-1]
matriz[l][0]=int (elemento)
l=l+1
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<=(linha-entrada):
while l1<= (linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
while l<=linha:
matriz [l][0]=str (matriz[l][0])
matriz[l][0]=caractere+matriz[l][0]
l=l+1
l=1
while l<=linha:
arquivocopia.write ("\n")
l1=0
while l1<=coluna:
if l1==0:
arquivocopia.write (matriz[l][l1])
else:
arquivocopia.write (" " + matriz[l][l1])
l1=l1+1
l=l+1
arquivo.close ()
arquivocopia.close()
Código Fonte do Programa PIPE2VHDL4M
# UNESP Ilha Solteira
#Programa: PIPE2VHDL4M
#Objetivo: Este programa tem por objetivo transformar a descrição de uma máquina de estados finitos em Rede
de Petri para o seu modelo comportamental descrito em VHDL.
#Programadora: Giorjety Licorini Dias.
### -*- coding: cp1252 -*-
x=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de entrada \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo.extenção'\n")
arquivo= open (x,'r')
y=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de saída \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo. extenção'\n")
arquivocopia= open (y,'w')
b4=y.rfind ('\\')
b5=y.rfind ('.')
arquivo.seek(0)
entidade= y [b4+1:b5]
164
arquivocopia.write ("-- PROJETO DE TESE DE MESTRADO - Ferramenta para a Integração de Redes de Petri e
VHDL na Síntese de Sistemas Digitais")
arquivocopia.write ("\n-- A ferramenta tem por objetivo transformar a descrição de uma máquina de estados
finitos em Rede de Petri para o seu modelo comportamental descrito em VHDL")
arquivocopia.write ("\n\n--Programa: PIPE2VHDL4M ")
arquivocopia.write ("\n--Programadora: Giorjety Licorini Dias")
arquivocopia.write ("\n--Versão: 1.2 de 20 de outubro de 2006")
arquivocopia.write ("\n\nENTITY "+ entidade +" IS\n")
arquivo.seek(0)
b1=arquivo.read()
b=b1.splitlines()
c1=4 # Variável utilizada no while
QEs=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de estados da RdP
QE=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de entradas da RdP
QS=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de saídas da RdP
saida=0
while "Fim" not in b[c1-1]:# Contabiliza a quantidade de Entradas e Estados da FSM
if "nome do lugar = E" in b[c1]:
p1=b[c1].rfind ('E')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
if parametro <> '':
QE=QE+1
QEs=QEs-1
elif "nome do lugar = S" in b[c1]:
p1=b[c1].rfind ('S')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
parametro=int(parametro)
if parametro > saida:
saida=parametro
if parametro <> '':
QEs=QEs-1
QEs=QEs+1
c1=c1+3
entrada=QE
QS=saida+1
saida=QS
import math # importando o módulo matemático que provê a maioria das funções matemáticas mais familiares
QE = math.log(QE)/math.log(2.0)
if QE > int (QE):
QE= int (QE)+1
else:
QE= int (QE)
QS = math.log(QS)/math.log(2.0)
if QS > int (QS):
QS= int (QS)+1
else:
QS= int (QS)
arquivocopia.write ("\tPORT\n\t(\n\t\t--xn representão as variáveis de entrada")
arquivocopia.write ("\n\t\t--zn representão as variáveis de saída")
arquivocopia.write ("\n\t\tclock:IN BIT;")
arquivocopia.write ("\n\t\tx0")
e=1
while e<QE:
arquivocopia.write (", x"+ str(e))
e=e+1
arquivocopia.write (":IN BIT;")
arquivocopia.write ("\n\t\tz0")
s=1
while s<QS:
arquivocopia.write (", z"+ str(s))
s=s+1
arquivocopia.write (":OUT BIT \n\t);")
arquivocopia.write ("\nEND "+ entidade +";\n")
arq=raw_input ("Digite o nome da Arquitetura que vc deseja para o código VHDL\n")
arquivocopia.write ("\nARCHITECTURE "+ arq +" OF " + entidade +" IS\n")
165
arquivocopia.write ("\n\tTYPE tipo_estado IS (")
linha=QEs*entrada
coluna=3
c2=c1+3
while "Arco" not in b [c2]:
c2=c2+2
matriz=[[]]
c1=4 # Variável utilizada no while
while "Fim" not in b[c1-1]:
p1=b[c1].rfind ('=')
p2=b[c1].rfind ('')
if "E" not in b[c1] or ("0" not in b[c1] and "1" not in b[c1] and "2" not in b[c1] and "3" not in b[c1] and "4" not in
b[c1] and "5" not in b[c1] and "6" not in b[c1] and "7" not in b[c1] and "8" not in b[c1] and "9" not in b[c1]):
Atual=b[c1][p1+2:p2]
c1=c1-1
p1=b[c1].rfind ('P')
p2=b[c1].rfind ('')
Atual1=b[c1][p1:p2-1]
c1=c1+1
c3=c2
while "Arco de T" not in b[c3]:
p1=b[c3].find ('P')
p2=b[c3].rfind ('p')
lugar=b[c3][p1:p2-1]
if lugar == Atual1:
p1=b[c3].rfind ('T')
p2=b[c3].rfind ('')
transicao=b[c3][p1:p2-1]
c4=c2
while "Arco de T" not in b[c4]:
c4=c4+5
c5=c4
while "Fim da RdP" not in b[c5+1]:
p1=b[c5].find ('T')
p2=b[c5].find ('p')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao:
p1=b[c5].rfind ('P')
p2=b[c5].rfind ('')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1 and ("S" not in b[c6+1] or ("0" not in b[c6+1] and "1" not in b[c6+1]and "2" not
in b[c6+1]and "3" not in b[c6+1]and "4" not in b[c6+1]and "5" not in b[c6+1]and "6" not in b[c6+1]and "7" not in
b[c6+1]and "8" not in b[c6+1]and "9" not in b[c6+1])):
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Proximo=b[c6][p1+2:p2]
c6=c6-1
if lugar2 == lugar1 and "S" in b[c6+1]:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Saida=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
c5=c2
n=0
while "Arco de T" not in b[c5]:
p1=b[c5].rfind ('T')
p2=b[c5].rfind ('')
166
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
p1=b[c5].find ('P')
p2=b[c5].rfind ('p')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao and lugar1<>Atual1:
c6=3
while "Fim" not in b[c6] and n==0:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Entrada=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
matriz=matriz+[[Atual,Proximo,Entrada,Saida]]
c3=c3+5
c1=c1+3
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<(linha-entrada):
while l1<=(linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
linha1=entrada
while l<=linha:
l1=1
while l+l1<=linha1:
if matriz[l][2]>matriz[l1+l][2]:
i=0
while i<=coluna:
elemento=matriz[l][i]
matriz[l][i]=matriz[l1+l][i]
matriz[l1+l][i]=elemento
i=i+1
l1=l1+1
l=l+1
if l==linha1:
linha1=linha1+entrada
l=l+1
l=1
if ('0'or '1' or '2'or '3' or '4'or '5' or '6'or '7' or '8'or '9') in matriz[1][0]:
while l<=linha:
p1=matriz[l][0].find ('')
p2=matriz[l][0].rfind ('')
elemento=matriz[l][0][p1+1:p2]
caractere=matriz[l][0][p1:p2-1]
matriz[l][0]=int (elemento)
l=l+1
l=1
167
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<=(linha-entrada):
while l1<= (linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
while l<=linha:
matriz [l][0]=str (matriz[l][0])
matriz[l][0]=caractere+matriz[l][0]
l=l+1
l=1
while l<=linha-(entrada-1):
if l==1:
arquivocopia.write (matriz[l][0])
else:
arquivocopia.write (", " + matriz[l][0])
l=l+entrada
arquivocopia.write (");\n\tSIGNAL Atual, Proximo: tipo_estado;\nBEGIN")
arquivocopia.write ("\n\n\tPROCESS (Atual, x0")
e=1
while e<QE:
arquivocopia.write (", x"+ str(e))
e=e+1
arquivocopia.write (")\n\n\tBEGIN")
arquivocopia.write ("\n\t\tCASE Atual IS")
l=1
while l<=linha:
arquivocopia.write ("\n\t\t\tWHEN " + matriz[l][0] + " =>")
l1=0
while l1<entrada:
decimal= int(matriz[l+l1][2])
posicao=0
binario=[0]
while posicao<QE:
binario= binario + [decimal%2]
decimal=decimal/2
posicao=posicao+1
posicao=QE
while posicao > 0:
if l1==0:
if (QE-posicao)==0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tIF x" + str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
else:
arquivocopia.write ("' and x"+ str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
elif l1<entrada-1:
if (QE-posicao)==0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tELSIF x" + str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
else:
arquivocopia.write ("' and x"+ str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
posicao=posicao-1
if l1!= entrada-1:
arquivocopia.write ("' THEN")
168
else:
arquivocopia.write("\n\t\t\t\tELSE")
decimal= int(matriz[l+l1][3])
posicao=0
binario=[0]
while posicao<QS:
binario= binario + [decimal%2]
decimal=decimal/2
posicao=posicao+1
posicao1=QS
while posicao1>0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\t\t z" + str(QS-posicao1)+"<= '" + str(binario[posicao1]) +"';")
posicao1=posicao1-1
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\t\tProximo <=" + matriz[l+l1][1] + ";")
l1=l1+1
l=l+entrada
if l<linha:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tEND IF;")
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tEND IF;")
arquivocopia.write ("\n\t\tEND CASE;\n\tEND PROCESS;")
arquivocopia.write("\n\n\tPROCESS\n\tBEGIN")
arquivocopia.write("\n\t\tWAIT UNTIL clock'Event AND clock = '1';")
arquivocopia.write("\n\t\t\tAtual <= Proximo;\n\tEND PROCESS;")
arquivocopia.write ("\n\nEND "+ arq +";")
arquivo.close ()
arquivocopia.close()
Código Fonte do Programa PIPE2TAB5M
# UNESP Ilha Solteira
#Programa: PIPE2TAB5M
#Objetivo: Este programa tem por objetivo transformar a descrição PNML da RdP que modela uma FSM para
uma tabela de transição de estados.
#Programadora: Giorjety Licorini Dias.
# -*- coding: cp1252 -*-
x=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de entrada \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo.extenção'\n")
arquivo= open (x,'r')
y=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de saída \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo. extenção'\n")
arquivocopia= open (y,'w+')
arquivo.seek(0)
b1=arquivo.read()
b=b1.splitlines()
c1=4 # Variável utilizada no while
QEs=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de estados da RdP
QE=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de entradas da RdP
QS=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de saídas da RdP
while "Fim" not in b[c1-1]:
if "nome do lugar = E" in b[c1]:
p1=b[c1].rfind ('E')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
if parametro <> '':
QE=QE+1
QEs=QEs-1
QEs=QEs+1
c1=c1+3
c1=4
entrada=QE
saida=0
while "Fim" not in b[c1-1]:
if "/S" in b[c1]:
169
Maquina="Moore"
p1=b[c1].rfind ('S')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
parametro=int(parametro)
if parametro > saida:
saida=parametro
c1=c1+3
c2=c1+3
c8=c2
while "Arco" not in b [c2]:
if "/S" in b[c2]:
Maquina="Mealy"
p1=b[c2].rfind ('S')
p2=b[c2].rfind ('')
parametro=b[c2][p1+1:p2]
parametro=int(parametro)
if parametro > saida:
saida=parametro
c2=c2+2
QS=saida+1
import math # importando o módulo matemático que provê a maioria das funções matemáticas mais familiares
QE = math.log(QE)/math.log(2.0)
if QE > int (QE):
QE= int (QE)+1
else:
QE= int (QE)
QS = math.log(QS)/math.log(2.0)
if QS > int (QS):
QS= int (QS)+1
else:
QS= int (QS)
QFF= math.log(QEs)/math.log(2.0)# Cálculo para a quantidade de Flip Flops
if QFF > int (QFF):
QFF= int (QFF)+1
else:
QFF= int (QFF)
linha=QEs*entrada
coluna=3
QEs = str (QEs)
QFF = str (QFF)
QE = str (QE)
QS = str (QS)
arquivocopia.write (QFF)
QFF = int (QFF)
i=1
while i <= QFF:
x=raw_input ("Digite o tipo do flip flop \n")
y=str(i)
arquivocopia.write ("\n" + x)
i=i+1
arquivocopia.write ("\n" + QE + ' ' + QS)
c1=4
matriz=[[]]
if Maquina == "Moore":
while "Fim" not in b[c1-1]:
p1=b[c1].rfind ('=')
p2=b[c1].rfind ('/')
if "E" not in b [c1]:
Atual=b[c1][p1+2:p2]
p1=b[c1].rfind ('/')
p2=b[c1].rfind ('')
Saida=b[c1][p1+2:p2]
c1=c1-1
p1=b[c1].rfind ('P')
p2=b[c1].rfind ('')
Atual1=b[c1][p1:p2-1]
170
c1=c1+1
c3=c2
while "Arco de T" not in b[c3]:
p1=b[c3].find ('P')
p2=b[c3].rfind ('p')
lugar=b[c3][p1:p2-1]
if lugar == Atual1:
p1=b[c3].rfind ('T')
p2=b[c3].rfind ('')
transicao=b[c3][p1:p2-1]
c4=c2
while "Arco de T" not in b[c4]:
c4=c4+5
c5=c4
while "Fim da RdP" not in b[c5+1]:
p1=b[c5].find ('T')
p2=b[c5].find ('p')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao:
p1=b[c5].rfind ('P')
p2=b[c5].rfind ('')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('/')
Proximo=b[c6][p1+2:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
c5=c2
while "Arco de T" not in b[c5]:
p1=b[c5].rfind ('T')
p2=b[c5].rfind ('')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
p1=b[c5].find ('P')
p2=b[c5].rfind ('p')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao and lugar1<>Atual1:
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Entrada=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
matriz=matriz+[[Atual,Proximo,Entrada,Saida]]
c3=c3+5
c1=c1+3
c1=4
if Maquina == "Mealy":
while "Fim" not in b[c1-1]:
p1=b[c1].rfind ('=')
p2=b[c1].rfind ('')
if "E" not in b [c1]:
Atual=b[c1][p1+2:p2]
171
c1=c1-1
p1=b[c1].rfind ('P')
p2=b[c1].rfind ('')
Atual1=b[c1][p1:p2-1]
c1=c1+1
c3=c2
while "Arco de T" not in b[c3]:
p1=b[c3].find ('P')
p2=b[c3].rfind ('p')
lugar=b[c3][p1:p2-1]
if lugar == Atual1:
p1=b[c3].rfind ('T')
p2=b[c3].rfind ('')
transicao=b[c3][p1:p2-1]
c4=c2
while "Arco de T" not in b[c4]:
c4=c4+5
c5=c4
while "Fim da RdP" not in b[c5+1]:
p1=b[c5].find ('T')
p2=b[c5].find ('p')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao:
p1=b[c5].rfind ('P')
p2=b[c5].rfind ('')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Proximo=b[c6][p1+2:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
c5=c2
n=0
while "Arco de T" not in b[c5]:
p1=b[c5].rfind ('T')
p2=b[c5].rfind ('')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
p1=b[c5].find ('P')
p2=b[c5].rfind ('p')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao and lugar1<>Atual1:
c6=3
while "Fim" not in b[c6] and n==0:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Entrada=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
n=1
c7=c8
while "Arco" not in b[c7]:
c7=c7-1
p1=b[c7].rfind ('T')
p2=b[c7].rfind ('')
transicao2=b[c7][p1:p2-1]
172
c7=c7+1
if transicao2 == transicao:
p1=b[c7].rfind ('/')
p2=b[c7].rfind ('')
Saida=b[c7][p1+2:p2]
n=1
c7=c7+2
c6=c6+3
c5=c5+5
matriz=matriz+[[Atual,Proximo,Entrada,Saida]]
c3=c3+5
c1=c1+3
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<(linha-entrada):
while l1<=(linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
linha1=entrada
while l<=linha:
l1=1
while l+l1<=linha1:
if matriz[l][2]>matriz[l1+l][2]:
i=0
while i<=coluna:
elemento=matriz[l][i]
matriz[l][i]=matriz[l1+l][i]
matriz[l1+l][i]=elemento
i=i+1
l1=l1+1
l=l+1
if l==linha1:
linha1=linha1+entrada
l=l+1
l=1
if ('0'or '1' or '2'or '3' or '4'or '5' or '6'or '7' or '8'or '9') in matriz[1][0]:
while l<=linha:
p1=matriz[l][0].find ('')
p2=matriz[l][0].rfind ('')
elemento=matriz[l][0][p1+1:p2]
caractere=matriz[l][0][p1:p2-1]
matriz[l][0]=int (elemento)
l=l+1
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<=(linha-entrada):
while l1<= (linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
173
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
while l<=linha:
matriz [l][0]=str (matriz[l][0])
matriz[l][0]=caractere+matriz[l][0]
l=l+1
l=1
while l<=linha:
arquivocopia.write ("\n")
l1=0
while l1<=coluna:
if l1==0:
arquivocopia.write (matriz[l][l1])
else:
arquivocopia.write (" " + matriz[l][l1])
l1=l1+1
l=l+1
arquivo.close ()
arquivocopia.close()
Código Fonte do Programa PIPE2VHDL5M
# UNESP Ilha Solteira
#Programa: PIPE2VHDL5M
#Objetivo: Este programa tem por objetivo transformar a descrição de uma máquina de estados finitos em Rede
de Petri para o seu modelo comportamental descrito em VHDL.
#Programadora: Giorjety Licorini Dias.
# DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
### -*- coding: cp1252 -*-
x=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de entrada \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo.extenção'\n")
arquivo= open (x,'r')
y=raw_input ("Digite o endereço do arquivo de saída \n--por ex. 'Diretório:\Pasta\Nome do arquivo. extenção'\n")
arquivocopia= open (y,'w')
b4=y.rfind ('\\')
b5=y.rfind ('.')
arquivo.seek(0)
entidade= y [b4+1:b5]
arquivocopia.write ("-- PROJETO DE TESE DE MESTRADO - Ferramenta para a Integração de Redes de Petri e
VHDL na Síntese de Sistemas Digitais")
arquivocopia.write ("\n-- A ferramenta tem por objetivo transformar a descrição de uma máquina de estados
finitos em Rede de Petri para o seu modelo comportamental descrito em VHDL")
arquivocopia.write ("\n\n--Programa: PIPE2VHDL5M ")
arquivocopia.write ("\n--Programadora: Giorjety Licorini Dias")
arquivocopia.write ("\n--Versão: 1.0 de 26 de agosto de 2006")
arquivocopia.write ("\n\nENTITY "+ entidade +" IS\n")
arquivo.seek(0)
b1=arquivo.read()
b=b1.splitlines()
c1=4 # Variável utilizada no while
QEs=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de estados da RdP
QE=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de entradas da RdP
QS=0 # Variável responsável por armazenar a quantidade de saídas da RdP
while "Fim" not in b[c1-1]: # Contabiliza a quantidade de Entradas e Estados da FSM
174
if "nome do lugar = E" in b[c1]:
p1=b[c1].rfind ('E')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
if parametro <> '':
QE=QE+1
QEs=QEs-1
QEs=QEs+1
c1=c1+3
c1=4
entrada=QE
saida=0
while "Fim" not in b[c1-1]:
if "/S" in b[c1]:
Maquina="Moore"
p1=b[c1].rfind ('S')
p2=b[c1].rfind ('')
parametro=b[c1][p1+1:p2]
parametro=int(parametro)
if parametro > saida:
saida=parametro
c1=c1+3
c2=c1+3
c8=c2
while "Arco" not in b [c2]:
if "/S" in b[c2]:
Maquina="Mealy"
p1=b[c2].rfind ('S')
p2=b[c2].rfind ('')
parametro=b[c2][p1+1:p2]
parametro=int(parametro)
if parametro > saida:
saida=parametro
c2=c2+2
QS=saida+1
import math # importando o módulo matemático que provê a maioria das funções matemáticas mais familiares
QE = math.log(QE)/math.log(2.0)
if QE > int (QE):
QE= int (QE)+1
else:
QE= int (QE)
QS = math.log(QS)/math.log(2.0)
if QS > int (QS):
QS= int (QS)+1
else:
QS= int (QS)
arquivocopia.write ("\tPORT\n\t(\n\t\t--xn representão as variáveis de entrada")
arquivocopia.write ("\n\t\t--zn representão as variáveis de saída")
arquivocopia.write ("\n\t\tclock:IN BIT;")
arquivocopia.write ("\n\t\tx0")
e=1
while e<QE:
arquivocopia.write (", x"+ str(e))
e=e+1
arquivocopia.write (":IN BIT;")
arquivocopia.write ("\n\t\tz0")
s=1
while s<QS:
arquivocopia.write (", z"+ str(s))
s=s+1
arquivocopia.write (":OUT BIT \n\t);")
arquivocopia.write ("\nEND "+ entidade +";\n")
arq=raw_input ("Digite o nome da Arquitetura que vc deseja para o código VHDL\n")
arquivocopia.write ("\nARCHITECTURE "+ arq +" OF " + entidade +" IS\n")
arquivocopia.write ("\n\tTYPE tipo_estado IS (")
linha=QEs*entrada
coluna=3
175
c1=4
matriz=[[]]
if Maquina == "Moore":
while "Fim" not in b[c1-1]:
p1=b[c1].rfind ('=')
p2=b[c1].rfind ('/')
if "E" not in b [c1]:
Atual=b[c1][p1+2:p2]
p1=b[c1].rfind ('/')
p2=b[c1].rfind ('')
Saida=b[c1][p1+2:p2]
c1=c1-1
p1=b[c1].rfind ('P')
p2=b[c1].rfind ('')
Atual1=b[c1][p1:p2-1]
c1=c1+1
c3=c2
while "Arco de T" not in b[c3]:
p1=b[c3].find ('P')
p2=b[c3].rfind ('p')
lugar=b[c3][p1:p2-1]
if lugar == Atual1:
p1=b[c3].rfind ('T')
p2=b[c3].rfind ('')
transicao=b[c3][p1:p2-1]
c4=c2
while "Arco de T" not in b[c4]:
c4=c4+5
c5=c4
while "Fim da RdP" not in b[c5+1]:
p1=b[c5].find ('T')
p2=b[c5].find ('p')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao:
p1=b[c5].rfind ('P')
p2=b[c5].rfind ('')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('/')
Proximo=b[c6][p1+2:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
c5=c2
while "Arco de T" not in b[c5]:
p1=b[c5].rfind ('T')
p2=b[c5].rfind ('')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
p1=b[c5].find ('P')
p2=b[c5].rfind ('p')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao and lugar1<>Atual1:
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
176
p2=b[c6].rfind ('')
Entrada=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
matriz=matriz+[[Atual,Proximo,Entrada,Saida]]
c3=c3+5
c1=c1+3
c1=4
if Maquina == "Mealy":
while "Fim" not in b[c1-1]:
p1=b[c1].rfind ('=')
p2=b[c1].rfind ('')
if "E" not in b [c1]:
Atual=b[c1][p1+2:p2]
c1=c1-1
p1=b[c1].rfind ('P')
p2=b[c1].rfind ('')
Atual1=b[c1][p1:p2-1]
c1=c1+1
c3=c2
while "Arco de T" not in b[c3]:
p1=b[c3].find ('P')
p2=b[c3].rfind ('p')
lugar=b[c3][p1:p2-1]
if lugar == Atual1:
p1=b[c3].rfind ('T')
p2=b[c3].rfind ('')
transicao=b[c3][p1:p2-1]
c4=c2
while "Arco de T" not in b[c4]:
c4=c4+5
c5=c4
while "Fim da RdP" not in b[c5+1]:
p1=b[c5].find ('T')
p2=b[c5].find ('p')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao:
p1=b[c5].rfind ('P')
p2=b[c5].rfind ('')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
c6=3
while "Fim" not in b[c6]:
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Proximo=b[c6][p1+2:p2]
c6=c6-1
c6=c6+3
c5=c5+5
c5=c2
n=0
while "Arco de T" not in b[c5]:
p1=b[c5].rfind ('T')
p2=b[c5].rfind ('')
transicao1=b[c5][p1:p2-1]
p1=b[c5].find ('P')
p2=b[c5].rfind ('p')
lugar1=b[c5][p1:p2-1]
if transicao1 == transicao and lugar1<>Atual1:
c6=3
while "Fim" not in b[c6] and n==0:
177
p1=b[c6].rfind ('P')
p2=b[c6].rfind ('')
lugar2=b[c6][p1:p2-1]
if lugar2 == lugar1:
c6=c6+1
p1=b[c6].rfind ('=')
p2=b[c6].rfind ('')
Entrada=b[c6][p1+3:p2]
c6=c6-1
n=1
c7=c8
while "Arco" not in b[c7]:
c7=c7-1
p1=b[c7].rfind ('T')
p2=b[c7].rfind ('')
transicao2=b[c7][p1:p2-1]
c7=c7+1
if transicao2 == transicao:
p1=b[c7].rfind ('/')
p2=b[c7].rfind ('')
Saida=b[c7][p1+2:p2]
n=1
c7=c7+2
c6=c6+3
c5=c5+5
matriz=matriz+[[Atual,Proximo,Entrada,Saida]]
c3=c3+5
c1=c1+3
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<(linha-entrada):
while l1<=(linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
linha1=entrada
while l<=linha:
l1=1
while l+l1<=linha1:
if matriz[l][2]>matriz[l1+l][2]:
i=0
while i<=coluna:
elemento=matriz[l][i]
matriz[l][i]=matriz[l1+l][i]
matriz[l1+l][i]=elemento
i=i+1
l1=l1+1
l=l+1
if l==linha1:
linha1=linha1+entrada
l=l+1
l=1
if ('0'or '1' or '2'or '3' or '4'or '5' or '6'or '7' or '8'or '9') in matriz[1][0]:
while l<=linha:
178
p1=matriz[l][0].find ('')
p2=matriz[l][0].rfind ('')
elemento=matriz[l][0][p1+1:p2]
caractere=matriz[l][0][p1:p2-1]
matriz[l][0]=int (elemento)
l=l+1
l=1
l1=1+entrada
i=1+entrada
while l<=(linha-entrada):
while l1<= (linha-(entrada-1)):
if matriz[l][0]>matriz[l1][0]:
l2=0
while l2< entrada:
c=0
while c<= coluna:
elemento=matriz[l+l2][c]
matriz[l+l2][c]=matriz[l1+l2][c]
matriz[l1+l2][c]=elemento
c=c+1
l2=l2+1
l1=l1+entrada
l=l+entrada
l1=i+entrada
i=i+entrada
l=1
while l<=linha:
matriz [l][0]=str (matriz[l][0])
matriz[l][0]=caractere+matriz[l][0]
l=l+1
l=1
while l<=linha-(entrada-1):
if l==1:
arquivocopia.write (matriz[l][0])
else:
arquivocopia.write (", " + matriz[l][0])
l=l+entrada
arquivocopia.write (");\n\tSIGNAL Atual, Proximo: tipo_estado;\nBEGIN")
arquivocopia.write ("\n\n\tPROCESS (Atual, x0")
e=1
while e<QE:
arquivocopia.write (", x"+ str(e))
e=e+1
arquivocopia.write (")\n\n\tBEGIN")
arquivocopia.write ("\n\t\tCASE Atual IS")
n=1
if Maquina=="Moore":
while n<=linha:
arquivocopia.write ("\n\t\t\tWHEN " + matriz[n][0] + " =>")
n1=0
while n1<entrada:
decimal= int(matriz[n+n1][2])
posicao=0
binario=[0]
while posicao<QE:
binario= binario + [decimal%2]
decimal=decimal/2
posicao=posicao+1
posicao=QE
while posicao>0:
if n1==0:
if (QE-posicao)==0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tIF x" + str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
else:
arquivocopia.write ("' and x"+ str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
elif n1<entrada:
179
if (QE-posicao)==0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tELSIF x" + str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
else:
arquivocopia.write ("' and x"+ str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
posicao=posicao-1
if n1!= entrada:
arquivocopia.write ("' THEN")
#else:
#arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tELSE")
decimal= int(matriz[n+n1][3])
posicao=0
binario=[0]
while posicao<QS:
binario= binario + [decimal%2]
decimal=decimal/2
posicao=posicao+1
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\t\tProximo <=" + matriz[n+n1][1] + ";")
n1=n1+1
n=n+entrada
if n<=linha+1:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tEND IF;")
posicao1=QS
while posicao1>0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tz" + str(QS-posicao1)+"<= '" + str(binario[posicao1]) +"';")
posicao1=posicao1-1
n=1
if Maquina=="Mealy":
while n<=linha:
arquivocopia.write ("\n\t\t\tWHEN " + matriz[n][0] + " =>")
n1=0
while n1<entrada:
decimal= int(matriz[n+n1][2])
posicao=0
binario=[0]
while posicao<QE:
binario= binario + [decimal%2]
decimal=decimal/2
posicao=posicao+1
posicao=QE
while posicao > 0:
if n1==0:
if (QE-posicao)==0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tIF x" + str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
else:
arquivocopia.write ("' and x"+ str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
elif n1<entrada-1:
if (QE-posicao)==0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tELSIF x" + str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
else:
arquivocopia.write ("' and x"+ str(QE-posicao)+"= '" + str(binario[posicao]))
posicao=posicao-1
if n1!= entrada-1:
arquivocopia.write ("' THEN")
else:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tELSE")
decimal= int(matriz[n+n1][3])
posicao=0
binario=[0]
while posicao<QS:
binario= binario + [decimal%2]
decimal=decimal/2
posicao=posicao+1
posicao1=QS
while posicao1>0:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\t\t z" + str(QS-posicao1)+"<= '" + str(binario[posicao1]) +"';")
posicao1=posicao1-1
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\t\tProximo <=" + matriz[n+n1][1] + ";")
180
n1=n1+1
n=n+entrada
if n<linha:
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tEND IF;")
arquivocopia.write ("\n\t\t\t\tEND IF;")
arquivocopia.write ("\n\t\tEND CASE;\n\tEND PROCESS;")
arquivocopia.write("\n\n\tPROCESS\n\tBEGIN")
arquivocopia.write("\n\t\tWAIT UNTIL clock'Event AND clock = '1';")
arquivocopia.write("\n\t\t\tAtual <= Proximo;\n\tEND PROCESS;")
arquivocopia.write ("\n\nEND "+ arq +";")
arquivo.close ()
arquivocopia.close()
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