Estudo de Circuitos Aritméticos e Implementação em Dispositivos Lógicos Programáveis

Autor: Kamila Rose da Silva

Orientador: Marcos Moecke

Curso: CST em Sistemas de Telecomunicações

Resumo

O sistema de numeração binário, junto da aritmética binária, é de extrema importância para a realização de aplicações em sistemas que envolvem processamento de sinais digitais, fundamentais em sistemas de telecomunicações. O desenvolvimento dos circuitos baseia-se na implementação em dispositivos lógicos programáveis, prática que vem se expandindo em aplicações em hardware, por sua reconfigurabilidade e maior velocidade de execução quando comparado a outros métodos. Neste trabalho todo o hardware foi implementado em VHDL permitindo avaliar quesitos como quantidade de hardware utilizado, tempo de propagação do caminho crítico e clock máximo. Para a avaliação de desempenho foi construído um cenário de testes para permitir a variar a quantidade de bits das entradas e saídas dos circuitos entre 4 até N bits. O ambiente de teste criado com o uso dos deserializadores e serializados para alimentar com dados os dispositivos sob teste (somadores e multiplicadores) juntamente com o uso da metodologia LogickLock e dos atributos de {\it keep} do VHDL permitiram realizar efetivamente a comparação de desempenho das diferentes implementações. As avaliações realizadas mostram que a descrição das operações de soma, subtração e multiplicação através dos respectivos operadores VHDL resultou em um melhor desempenho tanto no quesito tempo de propagação como no número de elementos lógicos utilizados, exceto em alguns casos. Para o somador de 4 bits, o menor atraso de propagação foi obtido com os circuitos Carry select, Carry chain e Carry skip. Por outro lado, para o somador de 32 bits, a implementação Carry lookahead 16 bits teve melhor desempenho em termos de atraso de propagação, a um custo de hardware quase 8 vezes maior. Para o multiplicador os dados obtidos também mostram que o uso do operador VHDL além de resultar no melhor desempenho tanto em relação ao tempo de propagação como na quantidade de hardware utilizado, ainda possibilita habilitar no compilador o uso dos multiplicadores embutidos no FPGA, resultando em redução do atraso de propagação entre 30% a 45%.

Palavras-chaves: desempenho de circuitos aritméticos, tipos de somadores, multiplicadores, FPGA, VHDL.

Documento TCC

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Documentações auxiliares

1. Tutoriais Quartus 14
2. Uso do TimeQuest
3. Optimization Tecniques
4. Uso do Modelsim
5. PowerPlay Analyser
6. Analysis & Synthesis Settings
7. Uso do Slow 85ºC