1 / 46

Inhoud

Inhoud. De ontwerpruimte en haar terminologie De ontwerpruimte ** Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen Poortnetwerken versus taknetwerken **

hestia
Download Presentation

Inhoud

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie • De ontwerpruimte ** • Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** • Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies • Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen • Poortnetwerken versus taknetwerken ** • Analyse van taknetwerken ** • Standaardcomponenten • Programmeerbare componenten • ASIC-bouwstenen Synthese van poortnetwerken ** • Algebraïsche minimalisatie • Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme • Topologische en heuristische methoden • Meerniveausynthese Digitale elektronica

  2. Soorten schakelnetwerken Men kan op diverse manieren systemen met een aan/af-gedrag bouwen: • Mechanisch • pallen, vergrendelingen, ... (slotmechanismen) • fluidics • Optisch • aan/afwezigheid van licht, polarisatie, kleur... • refractieve en/of diffractieve elementen • Elektrisch • taknetwerken met schakelaars • poortnetwerken • ... Digitale elektronica

  3. Taknetwerkenbasisbouwblokken X’ X Zijn netwerken van schakelaars Schakelaar = primitieve bouwsteen: • element met twee klemmen en controlevariabele • controlevariabele heeft binaire interpretatie • schakelaar realiseert functie • definitiedomein en beelddomein zijn verschillend NO-type NC-type Digitale elektronica

  4. Taknetwerkenopbouw van serie-parallelnetwerken SPn X X’ Wij beschouwen netwerken opgebouwd door serie- of parallelschakeling van twee deelnetwerken: model voor + en • uit Fn Generatieregels van SPn vergelijkbaar met deze van Vn: A B A A B B Digitale elektronica

  5. Taknetwerkenopbouw Conclusies: SPn isminder rijk danVn SPn isminder rijk danTn Nochtans: • alle elementen van SPn komen overeen met BV en stellen dus functies voor • alle elementen van Tn (alle taknetwerken) realiseren functies, hoewel zij niet alle overeenkomen met een BV • alle DSV-vormen komen overeen met een element uit SPn, en dus kunnen alle functies gerealiseerd worden Digitale elektronica

  6. Poortnetwerkenbasisbouwblokken Poorten modelleren elementaire operaties uit B1 Argumenten en functiewaarden nu wel in zelfde verzameling Verbinden van poortuitgangen met poortingangen gemodelleerd door functiesamenstelling Digitale elektronica

  7. Poortnetwerkencompositieregels ‘0’ X’ ‘1’ X A A A B B Alle compositieregels uit Vn ook aanwezig in Pn A A B Digitale elektronica

  8. Poortnetwerkenconclusies Elke Boolese vorm wordt voorgesteld door een poortnetwerk uit Pn en vice versa Alle poortnetwerken uit Pn stellen functies voor Alle Boolese functies kunnen worden gerealiseerd m.b.v. poortnetwerken Er zijn poortnetwerken die functies realiseren maar niet behoren tot Pn (netwerken met fan-out)-- corresponderen met stelsels BV’n Er zijn poortnetwerken die geen functies realiseren Digitale elektronica

  9. Systematische analyse van taknetwerken Gebaseerd op matrixvermenigvuldiging in Boole-domein Beschouwde matrices: Boolese Matrices • elementen zijn Boolese vormen • Diagonaal altijd 1 Connectiematrix van taknetwerk is Boolese Matrix Digitale elektronica

  10. Systematische analyse van taknetwerken Product van connectiematrix over B enumereert paden van lengte 2, 3, ... Padlengte beperkt (geen knopen herbezoeken) Product convergeert naar limietwaarde naar eindige tijd Resultaat is transmissiematrix Digitale elektronica

  11. Systematische analyse Digitale elektronica

  12. Digitale bouwstenenstandaardcomponenten Digitale bouwstenen Standaard- componenten Programmeerbare componenten Applicatie-specifieke bouwstenen GateArrays Seq. Comb. PLA- achtigen Cell- arrays SSI PLA Standard Cell MSI FPGA PAL LSI Full Custom PLS VLSI EPLD Digitale elektronica

  13. Standaardcomponenten Standaardcomponenten zijn afgewerkte componenten met vaste functionaliteit, bepaald door fabrikant Meestal verpakt in standaard behuizing Classificatie gebaseerd op: • Sequentieel vs. Combinatorisch • Complexiteit: • SSI (< 12 poort-equivalent per chip) • MSI (12 .. 100 poort-equivalent per chip) • LSI (> 100 poort-equivalent per chip) • VLSI, ULSI, XLSI, ... Digitale elektronica

  14. Standaardcomponenten Standaardcomponenten zijn gedurende lange tijd (tussen ca. 1965 en 1985) belangrijkste bouwblokken geweest voor digitale systemen Komen voor in uitgebreide assortimenten in de belangrijkste technologieën (TTL, ECL, CMOS, BiCMOS) Functionele terminologie wordt ook gebruikt in andere families (programmeerbare en ASIC) Digitale elektronica

  15. Standaardcomponenten:technologische evolutie Technologische levenscyclus van producten van Texas Instruments HC ALS BCT TI - producten F AS Bipolar CMOS BiCMOS AC FCT ABT LS andere S LVT LV CD4000 LVC ALVC TTL AHC ALB Introductie Groei Maturiteit Afname Veroudering Digitale elektronica

  16. Standaardcomponenten:verpakkingen (Texas Instruments) Digitale elektronica

  17. Standaardcomponenten:verpakkingen Digitale elektronica

  18. Standaardcomponenten Voordelen in gebruik: • welgedefinieerd, en uitgebreid assortiment van betrouwbare en gestandaardiseerde bouwblokken • extensief hergebruik van vroegere ontwerpen (re-use, nu aan de orde in software en ASICs) • goede beschikbaarheid (grote oplagen, meerdere producenten) • goede toegankelijkheid (testen) van circuits • geringe kapitaalinvestering van eindgebruiker (ontwerper), korte ontwerpcyclus Digitale elektronica

  19. Standaardcomponenten Nadelen in gebruik: functionele schaarste in hogere integratiedichtheden • aantal mogelijke functies stijgt als O(2(2n)) • assortiment te beperkt om complexiteit af te dekken wanneer n stijgt • realisaties vereisen algemeen veel glue logic => hogere componentaantallen • grotere oppervlakte • meer vermogendissipatie (C groter) • lagere prestaties (RC groter) • lagere betrouwbaarheid (meer verbindingen) Digitale elektronica

  20. Standaardcomponenten: glue logic Digitale elektronica

  21. Standaardcomponenten: glue logic Digitale elektronica

  22. Standaardcomponenten Digitale elektronica

  23. Standaardcomponenten Digitale elektronica

  24. Standaardcomponenten:combinatorische functies Voorbeelden van pdf-bestanden 7400 SSI • busproducten (drivers, transceivers, …) • interface-producten (niveau-omvormers, display-drivers, …) • assortiment poorten • bijna volledige functiebedekking: inv, and, or, nand, nor, xor, xnor, and-or-inv • 2-8 inputs MSI • multiplexers, demultiplexers • aritmetische bouwblokken (+, x, carry-circuits) • code-convertors: 7-segment, pariteit, Voorbeelden van pdf-bestanden 74181 74139 Digitale elektronica

  25. Standaardcomponenteninterconnectieproblematiek Verbindingen voor ‘trage’ signalen worden met enkelvoudige geleiders gemaakt (baantje + aardvlak) Bussen worden gemaakt met open-collector of open-draincomponenten,ofwel met afschakelbare uitgangen Digitale elektronica

  26. Standaardcomponenteninterconnectieproblematiek Voor snelle interconnecties maakt men gebruik van differentiële interconnectie via transmissielijnen Twee baantjes met Z0=50W naar aardvlak Voorbeeld: LVDS Digitale elektronica

  27. Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie • De ontwerpruimte ** • Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** • Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies • Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen • Poortnetwerken versus taknetwerken ** • Analyse van taknetwerken ** • Standaardcomponenten • Programmeerbare componenten • ASIC-bouwstenen Synthese van poortnetwerken ** • Algebraïsche minimalisatie • Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme • Topologische en heuristische methoden • Meerniveausynthese Digitale elektronica

  28. Digitale bouwstenenprogrammeerbare componenten Digitale bouwstenen Standaard- componenten Programmeerbare componenten Applicatie-specifieke bouwstenen GateArrays Seq. Comb. PLA- achtigen Cell- arrays SSI PLA Standard Cell MSI FPGA PAL LSI Full Custom PLS VLSI EPLD Digitale elektronica

  29. Programmeerbare componenten Zijn generieke componenten waarbij de eindgebruiker de uiteindelijke functionaliteit definieert Doel: combineren van massaproductie en hoge integratiedichtheid zonder specialisering Voordelen: • laag chipaantal • korte implementatiecyclus • ‘gemakkelijke’ adapteerbaarheid van afgewerkt produkt Nadelen: • dure componenten • relatief traag Digitale elektronica

  30. Programmeerbare componententechnologieën Er zijn diverse technieken om het gedrag van een afgewerkte component te wijzigen Belangrijke parameters: reversibiliteit en volatiliteit R V Technologie n n Smeltverbindingen: effectief doorsmelten van overtallige verbindigen n n Antifuses: laten doorslaan van isolator j n MOS met vlottende gate: • FAMOS (lawinedoorslag en hot-electron-injectie + UV-wissen) • EEAMOS (Fowler-Nordheim-tunneling) j j RAM-cellen Voorbeelden van pdf-bestanden EEAMOS Digitale elektronica

  31. Programmeerbare componententechnologieën Elektrisch wisbare component UV-wisbare component met kwartsvenster Digitale elektronica

  32. Programmeerbare componentenprorgammeerapparaten Digitale elektronica

  33. Programmeerbare componentenarchitecturen: PLA-achtigen (1) De PLA en de PLS: oerarchitecturen • afzonderlijk programmeerbare EN- en OF-matrix • Twee-niveaurealisatie • Beperking in produkttermen • PLS: toestandsregister Specialisaties: beperk programmeerbaarheid • geen OF-matrix PAL • geen EN-matrix: ROM Digitale elektronica

  34. Programmeerbare componentenarchitecturen: PLA-achtigen (2) De PAL en de PLD: de moderne werkpaarden • karakteristiek is de grote EN-matrix • veel varianten op de OF-matrix Voorbeelden van pdf-bestanden MACH pld Cypress pld 22v10 Digitale elektronica

  35. Programmeerbare componentenarchitecturen: Cell-arrays (1) Digitale elektronica

  36. Programmeerbare componentenarchitecturen: Cell-arrays (2) Cell-arrays worden gewoonlijk FPGA’s genoemd (het zijn echter geen gate arrays!) Ontwerp van combinatorische functies meerlaags wegens te beperkte fan-in Programmeerbare interconnectie kan trager zijn dan de functionele bouwblokken: plaatsing en routering van zeer groot belang FPGAs worden zeer veel gebruikt: • voor kleine series • als configureerbare simulatie-accelerator • als configureerbare coprocessor (nu ook on-chip) Digitale elektronica

  37. Programmeerbare componentenarchitecturen: interconnecties Digitale elektronica

  38. Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie • De ontwerpruimte ** • Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** • Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies • Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen • Poortnetwerken versus taknetwerken ** • Analyse van taknetwerken ** • Standaardcomponenten • Programmeerbare componenten • ASIC-bouwstenen Synthese van poortnetwerken ** • Algebraïsche minimalisatie • Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme • Topologische en heuristische methoden • Meerniveausynthese Digitale elektronica

  39. Digitale bouwstenenASIC’s Digitale bouwstenen Standaard- componenten Programmeerbare componenten Applicatie-specifieke bouwstenen GateArrays Seq. Comb. PLA- achtigen Cell- arrays SSI PLA Standard Cell MSI FPGA PAL LSI Full Custom PLS VLSI EPLD Digitale elektronica

  40. Gate arrays Geprefabriceerde wafers met actieve componenten erop (b.v. NAND-poorten) Ontwerp = afbeelding van circuit op poortcircuit (via bibliotheekcomponenten) Interconnectie door metallisatie (4-6 lagen) Voorbeelden van pdf-bestanden GateArray.pdf Digitale elektronica

  41. Standard Cells Ontwerper beschikt over bibliotheek van elementaire bouwblokken (SSI- functionaliteit) Manuele of automatische synthese van probleem naar logische structuur in deze bouwblokken Fysische layout van bouwblokken heeft dezelfde hoogte. Worden in rijen geplaatst Aansluitingen boven en onder. Interconnectie via kanaalroutering Fysische plaatsing en interconnectie kan verregaand geautomatiseerd worden -- resultaten echter niet zo goed als full-custom: • layout is ijler • circuit is trager (wegens langere bedrading) Digitale elektronica

  42. Standard Cells Digitale elektronica

  43. Standard Cells en Modules (1) Digitale elektronica

  44. Standard Cells en Modules (2) Digitale elektronica

  45. Full Custom (1) Full-Custom ontwerp impliceert ontwerp tot op circuitniveau Ontwerper is verantwoordelijk voor het ontwerp van de fysische structuur van alle basiscellen: • Keuze van W en L van transistors, • ligging, breedte en separatie van interconnectie, … • Aard van de I/O-pinnen Digitale elektronica

  46. Full Custom (2) Full-Custom ontwerp moet ondersteund worden met krachtige verificatietools: • DRC: Design Rule Check -- verificatie van regels voor afmetingen, overlapping, separatie, … • LVC: Layout versus schematic -- extractie van equivalent schema uit layout, voor verificatie met door ontwerper getekend schema, en extractie van parameters voor tijdsgetrouwe simulatie Digitale elektronica

More Related