1 Projektowanie systemów komputerowych System informatyczny (SI) System oprogramowania (software) Program1 Program2 ProgramN... Platforma sprzętowa (hardware) PC P, K P DSP SISD MISD FPGA SIMD... Architektura systemu MIMD ASIC

2 Wstęp Osiągnięcia technologii VLSI i jej wpływ na architektury i metody projektowania systemów komputerowych Wymagania rynku wobec systemów informatycznych: wzrost wydajności systemów informatycznych; realizacja mieszanych systemów analogowo- cyfrowych; zwiększenie jakości projektowania systemów komputerowych.

3 Wstęp. Możliwości technologii VLSI Nowoczesna technologia VLSI: 0,09 m 80 mln bramek w 1 układzie scalonym 0,065 m ponad 100 mln bramek/układ (ponad 500 mln tranzystorów) możliwość umieszczenia całego systemu w jednym układzie SoC (System-on-Chip) Podstawowy problem: Zagospodarowanie tak ogromnych resursów sprzętowych

4 Przykłady systemów jednoukładowych SoC firmy Texas Instruments dla telefonii komórkowej technologia DRP -90nm cyfrowe i analogowe układy radiowe procesor DSP układy sterowania zasilaniem układy pomocnicze

5 Projektowanie systemów komputerowych Co robić z 1 miliardem tranzystorów? Jaką platformę sprzętową wybrać? Jaka architektura systemu będzie najbardziej efektywna? Jak podzielić zadania (funkcje) systemu pomiędzy software i hardware?

6 Zalety systemów jednoukładowych miniaturyzacja i niezawodność obniżenie poboru mocy P~(U 2, f, C) obniżenie kosztów produkcji zwiększenie częstotliwości zegara f~(1/C) zmniejszenie liczby osobnych układów scalonych jednolity cykl procesów produkcyjnych zmniejszenie liczby linii sygnałowych i ich pojemności eliminacja wielu buforów I/O

7 Projektowanie systemów komputerowych Wymagania rynku wobec systemów informatycznych: wzrost wydajności systemów informatycznych; realizacja mieszanych systemów analogowo- cyfrowych SoC; zwiększenie jakości projektowania systemów. równoległe przetwarzanie danych specjalistyczna platforma sprzętowa skrócenie czasu projektowania i weryfikacji systemu zgodność z zasadą projektowania bezbłędnego (ang. First-Time-Right) stosowanie nowoczesnych technologii VLSI optymalizacja sprzętowa i czasowa

8 Projektowanie systemów komputerowych Wymagania rynku wobec systemów informatycznych: wzrost wydajności systemów komputerowych; równoległe przetwarzanie danych specjalistyczna platforma sprzętowa stosowanie nowoczesnych technologii VLSI Intel Core 2 Duo Extreme Edition X ,93 GHz, FSB 1066 MHz, 4 MB L2 Cache, 75 W Intel Core 2 Extreme Quad QX ,66 GHz, 286 mm2, 582 mln tranzystorów, 130 W

9 Projektowanie systemów SoC Sposoby zwiększenia jakości projektowania SoC: zautomatyzowanie procesu projektowania i weryfikacji; software-hardware codesign; wykorzystanie komponentów IP-core; realizacja w układzie scalonym różnych technologicznych wysp (obszarów); realizacja obszarów reprogramowalnych. relatywne zmniejszenie poboru mocy systemu możliwość zmiany architektury jednostki przetwarzającej (po wyprodukowaniu układu, a nawet w trakcie pracy systemu) skrócenie czasu projektowania i weryfikacji systemu większa funkcjonalność układu scalonego

10 Nowoczesne tendencje w projektowaniu SoC (IP-core) Tendencje w projektowaniu: wykorzystanie gotowych projektów dla większości podukładów systemu (IP- core); hardware-software codesign; automatyzacja procesu projektowania na wszystkich poziomach (szczególnie na poziomie strukturalnym); realizacja technologicznych wysp (inna technologia, napięcie zasilania, częstotliwość zegara, itd.); równoległe przetwarzanie danych; minimalizacja poboru mocy na poziomach projektowania strukturalnym i logicznym. Generic values 1 IP Core Generator Generic values 2 Generic values 3 Formy IP-core : Hard-core (poziom topografii układu); Firm-core (poziom netlisty, np. format EDIF) Soft-core (poziom VHDL)

11 Nowoczesne tendencje w projektowaniu SoC: (IP-core c.d.) Formy IP-core : Hard-core (poziom topografii układu); Firm-core (poziom netlisty, np. format EDIF) Soft-core (poziom HDL)

12 Nowoczesne tendencje w projektowaniu SoC (codesign) Tendencje w projektowaniu: wykorzystanie gotowych bloków ( komponentów IP-core); hardware-software codesign; automatyzacja procesu projektowania na wszystkich poziomach (szczególnie na poziomie strukturalnym); realizacja technologicznych wysp-obszarów (inna technologia, napięcie zasilania, częstotliwość zegara, itd.); równoległe przetwarzanie danych; minimalizacja poboru mocy na poziomach projektowania strukturalnym i logicznym. Cechy charakterystyczne: równoczesne projektowanie części sprzętowej i programowej systemu; proces iteracyjny; ciągła współpraca zespołów projektowych; odnalezienie właściwego podziału funkcji systemu na 2 zbiory: realizowane sprzętowo i programowo; wykorzystanie obszarów reprogramowalnych.

13 Nowoczesne tendencje w projektowaniu SoC (automatyzacja) Tendencje w projektowaniu: wykorzystanie gotowych bloków ( komponentów IP-core); hardware-software codesign; automatyzacja procesu projektowania na wszystkich poziomach (szczególnie na poziomie strukturalnym); realizacja technologicznych wysp-obszarów (inna technologia, napięcie zasilania, częstotliwość zegara, itd.); równoległe przetwarzanie danych; minimalizacja poboru mocy na poziomach projektowania strukturalnym i logicznym. Automatyzacja projektowania na poziomach logicznym i niższych: dobrze opracowane podstawy metodologiczne; szeroki wybór środowisk CAD; projektowanie i weryfikacja są bardzo czasochłonne. Projektowanie strukturalne: szybsze projektowanie; znacznie szybsza weryfikacja projektu; brak efektywnych metod projektowania i środowisk CAD.

14 Nowoczesne tendencje w projektowaniu SoC (wyspy technologiczne) Tendencje w projektowaniu: wykorzystanie gotowych bloków ( komponentów IP-core); hardware-software codesign; automatyzacja procesu projektowania na wszystkich poziomach (szczególnie na poziomie strukturalnym); realizacja technologicznych wysp-obszarów (inna technologia, napięcie zasilania, częstotliwość zegara, itd.) w tym obszarów reprogramowalnych; równoległe przetwarzanie danych; minimalizacja poboru mocy na poziomach projektowania strukturalnym i logicznym. Zalety: możliwość integracji różnych komponentów hard -core na jednym podłożu; minimalizacja poboru mocy poprzez tworzenie wysp z różnym napięciem zasilania i o różnej strukturze (np. RAM); Realizacja obszarów reprogramowalnych: większa funkcjonalność i niezawodność układu; możliwość modyfikacji; ułatwienie procesu projektowania; zmniejszenie poboru mocy

15 Uproszczona struktura układu reprogramowalnego FPGA Xilinx pamięć konfiguracyjna bloki We/Wy komórki przełączniki

16 Uproszczona struktura układu reprogramowalnego Virtex II Pro

17 Uproszczona struktura bloku procesorowego

18 Nowoczesne tendencje w projektowaniu SoC (przetwarzanie równoległe) Tendencje w projektowaniu: wykorzystanie gotowych bloków ( komponentów IP-core); hardware-software codesign; automatyzacja procesu projektowania na wszystkich poziomach (szczególnie na poziomie strukturalnym); realizacja technologicznych wysp- obszarów (inna technologia, napięcie zasilania, częstotliwość zegara, itd.); równoległe przetwarzanie danych; minimalizacja poboru mocy na poziomach projektowania strukturalnym i logicznym. Zalety przetwarzania równoległego: zapewnienie pożądanej wydajności systemu; mniejsza aktywność A przełączeń bramek w układzie i/lub mniejsza częstotliwość zegara systemowego. P~(U 2, f, C, A) f~(1/C) Minimalizacja poboru mocy na poziomie logicznym: wybór właściwych IP-core; sterowanie częstotliwością zegara w poszczególnych blokach systemu; minimalizacja długości połączeń w układzie.

19 Przykład. Realizacja szeregowa operacji bazowej FFT ( o podstawie 2 z podziałem w czasie) BiBi CiCi AiAi A i+1 WiWi Parametry operacji bazowej 4 operacje mnożenia; 8 operacji dodawania; Parametry urządzenia: 1 blok mnożący; 2 sumatory; czas obliczeń - 4 takty.

20 Przykład (c.d.): Realizacja równoległa operacji bazowej FFT (przetwarzanie równoległe) Parametry urządzenia szeregowego: 1 blok mnożący; 2 sumatory (+ i –); 10 rejestrów; 5 multiplekserów; blok sterowania (7 wyjść); czas obliczeń - 4 takty. Parametry urządzenia równoległego: 4 bloki mnożące; 8 sumatorów (+ lub –); 10 rejestrów; czas obliczeń - 1 takt. P~(U 2, f, C, A)

21 Ograniczenia nowoczesnej technologii VLSI spowodowane efektami fizycznymi Technologie 0,18 m 0,13 m 90nm 65nm: wzrost rezystancji linii (ścieżek) łączących bramki; wzrost pojemności C między sąsiednimi liniami; zmniejszenie napięcia zasilania (nawet poniżej 1V). C C ścieżki na warstwie metalizacji

22 Negatywne skutki stosowania zaawansowanych technologii VLSI: relatywny wzrost opóźnienia sygnałów w liniach; relatywny wzrost wzajemnego oddziaływania sygnałów; wzrost różnicy poziomu sygnału na początku i końcu linii. wzrost prawdopodobieństwa powstania zakłóceń w pracy systemu relatywne zmniejszenie częstotliwości pracy systemu stosowanie zasady lokalności i regularności połączeń WYNIK. Dodatkowe wymaganie do projektantów SoC Ograniczenia nowoczesnej technologii VLSI spowodowane efektami fizycznymi (c.d.)

23 Projektowanie systemów SoC Wybór typu architektury systemu SoC: lokalność i regularność połączeń wewnętrznych; realizacja w obszarze reprogramowalnym układu scalonego; regularne algorytmy przetwarzania danych; równoległe przetwarzanie danych. Wynik: Architektury macierzy procesorowych Istnieją teoretyczne podstawy systematycznego projektowania MP (metody odwzorowania algorytmów regularnych) Największy współczynnik wydajność/złożoność sprzętowa wśród równoległych architektur innych typów

24 Przykładowe architektury macierzy procesorowych

25 Przykładowe architektury macierzy procesorowych m =1 m =2

26 Założenia wstępne wykładu i projektu: Zagadnienia podstawowe: część cyfrowa systemu SoC zawiera jeden lub kilka obszarów reprogramowalnych; podstawowymi architekturami jednostek przetwarzających dla systemów SoC są architektury macierzy procesorowych. opracowanie programów równoległych (wykład); zapoznanie się ze sposobami projektowania potokowych jednostek przetwarzających dla systemów SoC (wykład); zapoznanie się z analitycznymi metodami projektowania równoległych jednostek przetwarzających dla systemów SoC na poziomie strukturalnym (wykład); realizacja praktyczna (w tym komputerowa) w/w metod (projekt zespołowy).

27 Operacja bazowa FFT o podstawie 2 z podziałem w czasie Parametry operacji bazowej: 4 operacje mnożenia; 8 operacji dodawania.

28 Graf algorytmu 16-punktowego FFT o podstawie 2 z podziałem w czasie, normalnie uporządkowanymi danymi wejściowymi i odwróconą bitowo kolejnością wyników

29 Graf algorytmu 16-punktowego FFT o podstawie 2 z podziałem w czasie, odwróconą bitowo kolejnością danych wejściowych i normalnie uporządkowanymi wynikami

30 Opracowanie struktury ALU do realizacji operacji bazowej FFT 2 z podziałem w czasie (c.d.)

31 Opracowanie struktury ALU do realizacji operacji bazowej FFT 2 z podziałem w czasie (c.d.)

32 Opracowanie struktury ALU do realizacji operacji bazowej FFT 2 z podziałem w czasie (c.d.) Parametry operacji bazowej 4 operacje mnożenia; 8 operacji dodawania; Parametry urządzenia: 1 blok mnożący; 2 sumatory; czas obliczeń - 4 takty.

33 Opracowanie bloku sterowania (BS) dla opracowanego ALU

34 Opracowanie bloku sterowania (BS) dla opracowanego ALU (c.d.)

35 Opracowanie bloku sterowania (BS) dla opracowanego ALU (c.d.)

36 Opracowanie bloku sterowania (BS) dla opracowanego ALU (c.d.)

37 Opracowanie bloku sterowania (BS) dla opracowanego ALU (c.d.)

38 Idea funkcjonowania generatora adresów RAM dla algorytmu FFT 2 z odwróconą bitowo kolejnością odczytu danych We Formowanie adresów danych wejściowych dla przypadku N=16

39 Przykładowy generator adresów RAM dla algorytmu FFT 2 z odwróconą bitowo kolejnością odczytu danych We

40 Operacja bazowa FFT o podstawie 2 z podziałem w dziedzinie częstotliwości Parametry op. bazowej 4 operacje mnożenia; 6 operacji dodawania.

41 Graf algorytmu 16-punktowego FFT o podstawie 2 z podziałem w częstotliwości, odwróconą bitowo kolejnością wyników i normalnie uporządkowanymi danymi wejściowymi

42 Graf algorytmu 16-punktowego FFT o podstawie 2 z podziałem w częstotliwości, odwróconą bitowo kolejnością danych wejściowych i normalnie uporządkowanymi wynikami

43 Opracowanie struktury potokowego ALU do realizacji operacji bazowej FFT 2 ( z podziałem w częstotliwości) Parametry op. bazowej 4 operacje mnożenia; 6 operacji dodawania.

44 Opracowanie struktury potokowego ALU do realizacji operacji bazowej FFT 2 z podziałem w częstotliwości ( c.d.) Parametry urządzenia: 2 bloki mnożące + 6 sumatorów; czas obliczeń - 2 takty.

45 Struktura ogólna urządzenia potokowego do realizacji N-punktowego FFT 2 FFT AUTOM. STER. ROM RAM1 RAM2 RG wejście

46 Struktura ogólna urządzenia potokowego do realizacji N-punktowego FFT 2 (c.d.) Przykładowa struktura Bloku Sterowania oraz wyniki symulacji Generatora Adresów GNR FDiv

47 Zadania do pierwszej części projektu zespołowego