TEMA 0: Introducción: Aspectos Tecnológicos y...
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Curso 07/08
TEMA 0: Introducción: Aspectos Tecnológicos y Metodológicos del diseño de sistemas
© Departamento de Arquitectura y Tecnología de Sistemas Informáticos - Facultad de Informática -Universidad Politécnica de Madrid - V. Rodellar
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Tema 0. Aspectos Tecnológicos y Metodológicos del diseño de sistemas
0.1. Evolución de la tecnología0.1.1 Implicaciones de la longitud del canal0.1.2 Chips estándar0.1.3 Dispositivos Lógicos programables 0.1.4 Circuitos Integrados no programables
0.2. Metodologías de diseño0.2.1 Niveles de abstracción y Jerarquías0.2.2 Lenguajes de Descripción Hardware0.2.3 Herramientas CAD
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Evolución de la Tecnología
Desafíos en el diseño digital
• Acortar el tiempo de puesta en el mercado de un producto
• Reducir el precio del producto final
- Estrategias
- Mejora de la tecnología- Nuevas Metodologías de diseño
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Evolución de la Tecnología: Implicaciones de la longitud del canal
• Longitud del canal submicra
• Rc = K L/W Ce = K’ L W
• - System on chip (SOC)
• - Incremento de la velocidad
• - Disipación de potencia
• Pd= f Ce V2dd
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Evolución de la Tecnología: Chips estándar
• Ampliamente usada en los años 80
• Funcionalidad simple y fija
• Pequeña cantidad de puertas
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Evolución de la Tecnología: Simple programmable logic circuits (SPLD) - PLA
Puede ser configurada por el usuario para implementar una gran variedad de circuitos lógicos diferentes
• Programmable LogicArrays (PLA)
• Los planos AND y OR son programables
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Evolución de la Tecnología Simple programmable logic circuits (SPLD) - PAL
•Programmable ArrayLogic (PAL)
• El plano AND es programable, el plano OR es fijo.
•Más simple de fabricar
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Evolución de la Tecnología : Complex programmable logic circuits (CPLD)
• Contenido del block:– OR – XOR– Flip-flops– MUX– Buffers triestado– Numero de pines (200)
• Tamaños 100 PAL• No-volátiles
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Evolución de la Tecnología: Complex programmable logic circuits (CPLD)
MAX 7000 CPLD - ALTERA
Diagrama de bloquesMacrocelda
7032 (32 macrocells) ---> 7512 (512 macrocells)
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Evolución de la Tecnología: Field programmable gate arrays (FPGA)
• Proporciona:– Bloques lógicos– Conmutadores de
interconexión– Bloques de I/0
• Bloques lógicos : lookuptable (celdas de almacenamiento).Tamaños diferentes
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Evolución de la Tecnología: Circuitosintegrados no programables
• PLD’s son programados por el usuario final no hay retrasos de fabricación
•Cuando las PLD’s no cumplen las prestaciones deseadas o las restricciones de coste, entonces:
• Ha de diseñarse el circuito a medida
• Ha de elegirse la tecnología apropiada
• El chip es fabricado por una compañía
pero ….
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Evolución de la Tecnología: Circuitos integrados no programables
Ventajas
•El chip puede ser optimizado para una determinada tarea
•Mejores prestaciones (área, tiempo, potencia)
•Puede utilizarse un único chip en lugar de varios chips para el mismo diseño
Desventajas:
•Alto coste de producción (recomendado para grandes cantidades)
•Mucho tiempo de diseño
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Evolución de la Tecnología: Circuitosintegrados no programables - Custom
El diseñador tiene completa libertad para decidir el número de transistores, el tamaño del chip, la ubicación de las celdas, ruteado de señales (layout), etc... Mucho esfuerzo!!. Muy caro!!
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Varias Mascaras
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Evolución de la Tecnología: Circuitosintegrados no programables - Standard cells
El layout de las puertas lógicas y otros dispositivos están preconstruidos y almacenados en una biblioteca que están accesibles al diseñador
Acorta el proceso de diseño pero no el proceso de fabricación
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Evolución de la Tecnología: Circuitosintegrados no programables - Gate arrays
Parte del chip está prefabricado y otras partes son personalizadas para un usuario particular (nivel de metalización).
Acorta el proceso de diseño y el de fabricación
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Evolución de la Tecnología: Circuitosintegrados no programables
Oblea de silicio
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Microprocesador INTEL 8008
AÑO 1974
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Microprocesador INTEL 386
AÑO 1985 - 275.000 transistores
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Microprocesador INTEL Pentium IIAÑO 1997 - 7,5 millones de transistores
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Pentium III
AÑO 1999
9,5 millonesde transistores
0,25 micras
Pentium 4
AÑO 2000
42 millonesde transistores
0,18 micras
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Metodologías de Diseño
• Top-down
•Jerarquías
•Reusabilidad
•Síntesis
•Lenguajes de descripción Hadware
•Portabilidad entre herramientas CAD
•Implementación Tecnológica independiente del diseño
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Metodologías de Diseño: Niveles de abstracción
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Metodologías de Diseño: Jerarquías
• Un componente incluye otros componentes de menor complejidad, así hasta llegar al nivel de puerta (transistor)
• EncapsuladoTema 0. Aspectos Tecnológicos y Metodológicos - © DATSI - FI - UPM - V. Rodellar 23
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Metodologías de Diseño: Lenguajes de descripción hardware
•El proceso de diseño es independiente de la tecnología
HDL estándar --> Portabilidad entre herramientas CAD
IEEE : (VHDL-Verilog)
•Descripción y simulación combinando diferentes niveles de abstracción:
• Behavioral (Comportamiento)
• RTL (Transferencia entre registros)
• Structural (Estructural)
•Documentación de los diseños
•Diagnostico de fallos
•Evaluación de prestaciones24
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Metodologías de Diseño: Lenguajes de descripción hardware
•Se utilizan como entrada en las herramientas de síntesis
HDL -> herramienta de síntesis -> estructural + Biblioteca Tecnológica (µ) -> layout
HDL -> herramienta de síntesis -> estructural + Mapeado -> PLD, FPGA
•Reusabilidad
•Prototipado virtual
Y algunas más ...
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Metodologías de Diseño: Herramientas CAD -Simulación
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• Tablas de verdad (número reducido de variables)
– Texto, formas de onda• Esquemáticos (dependientes de la
tecnología)
– Bibliotecas de componentes proporcionadas por el suministrador de CAD
• HDL– Estándar– Portabilidad– Reusabilidad– ...
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Metodologías de Diseño: Herramientas CAD -Síntesis
• Compilación Transforma la entrada (tabla, esquemático o HDL) en un conjunto de ecuaciones lógicas
• Síntesis lógica: Optimiza las funciones lógicas
• Diseño Físico Mapea los funciones lógicas optimizadas a una tecnología especifica (placement, routing)
• Simulación temporal: Mide los retardos de propagación, y el retardo del camino crítico
• Configuración del chip
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LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.all;USE IEEE.NUMERIC_STD.all;
ENTITY register_PP ISGENERIC (num_bits:NATURAL:=4);PORT (
clk: IN STD_LOGIC; -- activo por flanco de subidarst_n : IN STD_LOGIC; -- activo a nivel bajoenable: IN STD_LOGIC; -- activa a nivel altodata_in: IN UNSIGNED (num_bits -1 DOWNTO 0); data_out: OUT UNSIGNED (num_bits -1 DOWNTO 0));
END register_PP;
ARCHITECTURE behavior OF register_PP ISBEGINPROCESS (clk, rst_n)BEGINIF rst_n ='0' THEN
data_out <= (OTHERS => '0');ELSIF rising_edge (clk) THEN
IF enable = '1' THENdata_out <= data_in;
END IF;END IF;
END PROCESS;END behavior;
Sintesis de un registro P/P a partirde su descripción VHDL
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Vista interna de la CPLD
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Resumen
El gran desarrollo de la tecnología digital se ha debido a dos hechos:
•La miniaturización del transistor
•Las metodologías de diseño
•Lenguajes de descripción hardware
•Diseño Top-down
•Herramientas CAD
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