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\documentclass[11pt, a4paper]{article}
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[margin=1.0in]{geometry}
\usepackage[french]{babel}
\newcommand{\prog}[1]{{\tt#1}}
\newcommand{\underscore}{$\_\,$}
\begin{document}
\title{Programmation d'un simulateur de net-lists \\ \normalsize{\textsc{Projet de Système digital}}}
\author{Jonathan Laurent}
\maketitle
Le programme \prog{netsim} permet de simuler un circuit digital synchrone représenté par une net-list. Il propose notamment les fonctionnalités suivantes :
\begin{itemize}
\item Un \textit{mode interactif} suffisament riche pour permettre un déboguage efficace des net-lists
\item Le maintien d'un \textit{historique} des états de la machine permettant d'annuler certaines actions
\item La \textit{vérification} de la cohérence des net-lists passées en entrée
\end{itemize}
\section{Guide d'utilisation}
\subsection{Commande et options}
Le programme se lance avec la commande
\begin{center}\prog{./netsim NETLIST\underscore{}FILE [--rom ROM\underscore{}FILE] [-f INPUT\underscore{}FILE] }\end{center}
où \prog{NETLIST\underscore{}FILE} désigne un fichier contenant le circuit à simuler, \prog{ROM\underscore{}FILE} contient le contenu des mémoires \textsc{rom}s et \prog{INPUT\underscore{}FILE} contient une suite de directives à executer avant le démarrage du \textit{mode interactif}.
\medskip
Dans la suite de ce document :
\begin{itemize}
\item \prog{val} désigne une valeur, c'est à dire l'état d'une nappe de fils où les bits sont présentés dans l'ordre \emph{décroissant}
\item \prog{addr} représente une valeur codant pour une adresse
\item \prog{id} désigne l'identifiant d'une variable présente dans le fichier net-list courant
\item \prog{cell} désigne une variable ou un emplacement \textsc{ram} de la forme \prog{id : addr} où \prog{addr} est une valeur codant pour une adresse
\end{itemize}
\subsection{Format des fichiers ROM}
Un fichier \textsc{rom} est composé d'une suite de blocs. Un bloc est composé d'un entête de la forme suivante
\begin{center}\prog{ROM id ADDRSIZE n$_1$ WORDSIZE n$_2$ }\end{center}
où les deux arguments numériques sont fournis en écriture décimale. Le contenu de la mémoire correspondant à un entête est décrit par une suite de valeurs ordonnées dans le sens des adresses croissantes. Il est possible de sauter directement à une adresse spécifiée avec la directive
\begin{center}\prog{ADDR addr :}\end{center}
Un exemple est fourni dans le dossier \prog{samples} du programme.
\subsection{Le language de scripts d'interaction}
\medskip
Après affichage de l'invite de commande \prog{>}, l'utilisateur peut saisir plusieurs directives, séparées par des points ou des sauts de lignes. La directive la plus simple consiste à entrer une séquence de valeurs \prog{val} séparées par des espaces, et correspondant à chaque entrée du circuit, dans l'ordre de leur déclaration au sein du fichier net-list. Le logiciel exécute alors un cycle machine à partir de ces entrées et affiche les nouvelles valeurs des sorties. Il est également possible de saisir une liste d'affectations suivant l'exemple suivant :
\begin{center}
\prog{a = 0, b = 0110, c = 10}
\end{center}
Les entrées su circuit qui n'auront pas été mentionnées dans la liste garderont leur valeur précédente. Il est également possible d'utiliser une des directives suivantes :
\medskip
\begin{center}
\begin{itemize}
\item \prog{\%inputs id$_1$ ... id$_n$} spécifie une nouvelle liste ordonnée des entrées du circuit
\item \prog{\%outputs cell$_1$ ... cell$_n$} spécifie la liste des sorties du circuit
\item \prog{\%show cell$_1$ ... cell$_n$} affiche la valeur des variables et emplacements \textsc{ram} indiqués. En l'absence d'arguments, la valeur des sorties est affichée
\item \prog{\%run n} exécute $n$ cycles machine
\item \prog{\%echo off} désactive l'affichage automatique des sorties après exécution d'un cycle. Pour réactiver cette fonctionnalité, remplacer \prog{off} par \prog{on}
\item \prog{\%echo on} active l'affichage des sorties
\item \prog{\%undo n} annule les $n$ dernières commandes ayant eu pour effet d'exécuter des cycles machine. Si l'argument n'est pas spécifié, $n=1$
\item \prog{\%redo n} annule un appel anterieur de \prog{\%undo n}, si aucune opération d'écriture n'a été excutée d'ici là
\item \prog{\%history n} redéfinit la valeur de la capacité de l'historique permettant d'effectuer des \prog{undo}
\end{itemize}
\end{center}
Des exemples sont disponnibles dans le dossier \prog{samples} du programme.
\section{Carcatéristiques techniques}
Une exécution du programme se déroule schématiquement de la manière suivante :
\paragraph{Au chargement d'un fichier net-list :}
\begin{itemize}
\item Les équations sont triées dans l'ordre topologique et tout cycle d'exécution est signalé
\item Une vérification de la cohérence des types est effectuée
\item La liste d'équations est précompilée (voire suite)
\end{itemize}
\paragraph{A chaque cycle :}
\begin{itemize}
\item Les valeurs des mémoires \textsc{ram} sont mises à jour en fonction de l'état de la machine à la fin du cycle \emph{précédent}. Le membre gauche d'une équation de type \textsc{ram} ne dépend ainsi dans l'ordre topologique que du paramètre de l'adresse de lecture.
\item Chaque équation modifie l'état courant sur la base de l'état de la machine à la fin du cycle précédent (calcul des valeurs des registres) et de l'état obtenu après exécution des équations antérieures (par rapport à l'ordre topologique)
\end{itemize}
\medskip
Pour plus de détails, le lecteur est invité à consulter le fichier \emph{netlist\underscore{}simulator.ml}.
\subsection{Optimisations}
Afin de rendre le programme raisonnablement efficace, deux optimisations ont été principalement mises en oeuvre :
\begin{itemize}
\item Chaque variable se voit affecter un identifiant numérique et l'état de toutes les variables de la machine est stockée dans un tableau. Cependant, le type \prog{state} exporté par \prog{Netlist\underscore{}simulator} est persistent (le tableau est recopié à la fin de toutes les fonctions exportées par la signature du module), ce qui permet de gérer plutôt simplement un historique.
\item La liste des équations est précompilée en une liste de fonctions du type \prog{state -> state -> state} de manière à ce que la structure de ses éléments ne soit pas réexplorée à chaque cycle. Pour plus d'explications, consulter \emph{netlist\underscore{}simulator.ml}.
\end{itemize}
\medskip
Ces deux améliorations représentent un gain de temps d'un facteur 12 environ environ. A titre indicatif, la simulation de $84000$ cycles du circuit à $300$ variables \prog{clockHMS} prend $3s$.
\subsection{Améliorations possibles}
Le système actuel génère des erreurs très imprécises et ne vérifie pas la sémantique des fichiers de \textsc{rom} et des directives d'entrées.
\end{document}
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