Programowalne układy cyfrowe, czyli fabryka na Twoim biurku Tadeusz Łuba Programowalne układy cyfrowe, czyli fabryka na Twoim biurku Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

Celem wykładu jest omówienie najnowszych osiągnięć elektroniki, a w szczególności tych osiągnięć, które już w najbliższej przyszłości mogą okazać się wyjątkowo atrakcyjne w karierze zawodowej przyszłych absolwentów naszego wydziału.

Plan wykładu Rozwój technologii układów scalonych Technika układów programowalnych Komputerowe systemy projektowania Zastosowania w elektronice, informatyce i telekomunikacji Produkcja pierwszego układu scalonego

. . . Rok 1958 . . .  za co otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 2000. Jack Kilby z Texas Instruments zbudował pierwszy układ scalony   za co otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 2000. Pierwsze układy scalone zawierały mniej niż 20 tranzystorów. 4

Już w latach 80. 20 wieku Setki milionów tranzystorów! 5

…programowanie połączeń …dzisiaj miliony bramek logicznych Nowa jakość… …programowanie połączeń Programowalne moduły logiczne (Programmable Logic Devices)

Programowalne moduły logiczne (Programmable Logic Devices) to układy scalone, których właściwości funkcjonalne są definiowane nie przez producenta, lecz przez końcowego użytkownika. Najważniejszą cechą tych układów jest możliwość nadawania im (przez programowanie) określonych przez użytkownika cech funkcjonalnych, w jego laboratorium czy na biurku, a nie w fabryce. PLD 7

Najnowsze struktury programowalne FPGA (Field Programmable Gate Array) Elementy logiczne NOWOŚĆ! Elementy logiczne nie są bramkami 8

Układy programowalne wyrównują szanse… 9

Układ kryptograficzny F@*q~ PLD

Komputerowe systemy projektowania Ze względu na skomplikowaną budowę struktur programowalnych ich realizacja nie może się odbywać bez… 11

Komputerowe projektowanie… Specyfikacja HDL Synteza funkcjonalna Synteza logiczna Odwzorowanie technologiczne 12 12

Komputerowe projektowanie… Specyfikacja HDL Synteza funkcjonalna Synteza logiczna Odwzorowanie technologiczne …aż do zaprogramowania układu! 13 13

Pierwszy produkt fabryki na biurku Konwerter kodu binarnego na kod BCD Konwerter współpracuje z dekoderami wskaźników siedmiosegmentowych

Konwerter Bin2BCD 27BIN 27BCD BIN/BCD Wejścia Wyjścia 1 27BIN 27BCD 1 BIN/BCD Wejścia Wyjścia Liczby dziesiętne reprezentowane binarnie Cyfry podanej liczby zakodowane binarnie

Edytor tekstowy 16 architecture behavior of bin2bcd_behavioral is begin process (clk) variable cnt : integer range 0 to 8; variable bcd_a : std_logic_vector(3 downto 0); variable bcd_b : std_logic_vector(3 downto 0); variable binv : std_logic_vector(7 downto 0); variable exec : std_logic; ENTITY reg4 IS PORT ( D : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ; RST, Clock : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) ) ; END reg4 ; if rising_edge(clk) then if start = '1' then bcd_a := (others => '0'); bcd_b := (others => '0'); binv := ‘0’ & data; cnt := 8; ready <= '0'; exec := '0'; else 16

Przetwarzanie projektu - kompilator

W tym układzie został zrealizowany Programowanie W tym układzie został zrealizowany konwerter

Jakość realizacji 34 el. logiczne 32 mln/s EPF10K …w strukturach FPGA jakość określa a) Liczba zajętych elementów logicznych b) Szybkość – maksymalna liczba słów przetwarzanych w ciągu 1 sek. 34 el. logiczne 32 mln/s 19

Projektowanie jest proste? Język VHDL Synteza automatyczna Ależ to bardzo proste!

Niestety… Jak je skonfigurować??? MILIONY BRAMEK !!!

Trudności odwzorowania technologicznego f Sieć wielopoziomowa FPGA Każdy układ cyfrowy – po procesie kompilacji jest reprezentowany jako sieć bramek logicznych, którą trzeba odpowiednio odwzorować na elementy logiczne struktur programowalnych.

Metoda puzzli

Nowe procedury syntezy logicznej Specyfikacja HDL Synteza funkcjonalna Synteza logiczna Odwzorowanie technologiczne Nowe procedury syntezy logicznej 17 el. logicznych 352 mln/s 24

Porównanie realizacji BIN2BCD Liczba elementów logicznych ─ liczba słów Synteza behawioralna – 34 LE ─ 32 mln/s Synteza logiczna: system specjalizowany – 17 LE ─ 352 mln/s Procesor AMD Athlon™ 64X2 Dual Core 4200+ 2,2 GHz – 9,17 mln/s

Struktury programowalne FPGA znalazły ogromne zastosowania w układach cyfrowego przetwarzania sygnałów „FPGAs are on the verge of revolutionizing digital signal processing in the manner that programmable digital signal processors (PDSPs) did nearly two decades ago.”

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów ADC Dyskretne próbki sygnału Próbkowanie Kwantowanie i kodowanie 0 1 0 0 1 0, 0 1 1 0 0 1, … Reprezentacja cyfrowa Dyskretne w czasie i wartościach Sygnał analogowy DAC Filtracja Rekonstrukcja Odtwarzanie

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów W formie cyfrowej znikają różnice pomiędzy różnymi typami sygnałów, co znacznie upraszcza wszelkie procesy związane z przechowywaniem, przetwarzaniem i przesyłaniem różnych typów informacji. Sieć telekomunikacyjna 28

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów W formie cyfrowej znikają różnice pomiędzy różnymi typami sygnałów, co znacznie upraszcza wszelkie procesy związane z przechowywaniem, przetwarzaniem i przesyłaniem różnych typów informacji. Sieć telekomunikacyjna 29

Zastosowania układów DSP Telewizja wysokiej rozdzielczości HDTV Telefonia komórkowa Rozpoznawanie mowy i obrazów Kompresja obrazów Szyfratory kryptograficzne Szyfratory baz danych Diagnostyka medyczna

RADIOFONIA I TELEWIZJA TELEFONIA KOMÓRKOWA PRZETWARZANIE DŹWIĘKU Za pośrednictwem cyfrowego przetwarzania sygnałów obszar zastosowań układów programowalnych rozszerza się na wiele dziedzin elektroniki, informatyki i telekomunikacji RADIOOMUNIKACJA TECHNIKA POMIAROWA TELEMEDYCYNA 31 31

Produkty wirtualne – co to jest? Struktury programowalne uzyskują fizyczną postać konkretnego układu cyfrowego dopiero w trakcie zaprogramowania. Z tej przyczyny układy te określa się mianem wirtualnych, gdyż do momentu zaprogramowania istnieją tylko jako odpowiednie pliki na dyskach komputerów (a nawet na kartce papieru). 

Technika produktów wirtualnych Rynek własności intelektualnej IP (Intellectual Property) zawartej w układach zaprojektowanych i oferowanych do sprzedaży w postaci kodów źródłowych języków HDL. - TILAB - inSILICON CORPORATION - SIBER CORE TECHNOLOGIES - DIGITAL COMMUNICATION TECHNOLOGIES - ARC CORES - VIRTUAL IP GROUP INC. - IP SEMICONDUCTORS - ALCATEL TECHNOLOGY LICENSING - ALTERA MEGAFUNCTION PARTNERS PROGRAM - XILINX ALLIANCE CORE - COMMON LICENSE CONSORTIUM - IP CATALYST PROGRAM - EXEMPLAR LOGIC-VENDOR INCENTIVE PROGRAM (VIP) - D & R DESIGN-REUSE. W Polsce: EVATRONIX

Evatronix S.A. Sztuka komputerowego tworzenia Rola wirtualnych komponentów w projektowaniu systemów scalonych

Komponenty wirtualne firmy Evatronix Mikrokontrolery oparte na architekturze 8051 Koprocesory arytmetyczne Procesory sygnałowe Kontrolery łączy interfejsowych i sieciowych Kodery obrazów standardu JPEG2000

Komponenty wirtualne firmy Evatronix W roku 2002 Evatronix S.A. opracowała wirtualny komponent kontroler Ethernet MAC (Media Access Control) 10/100Mbit. Komponent ten został zastosowany w... ...airbus A380 gdzie pełni rolę podstawowej arterii wymiany danych pomiędzy wszystkimi urządzeniami sterującymi i kontrolnym samolotu A380.

Fabryka na biurku… 38

Podsumowanie Układy programowalne umożliwiają budowę systemów cyfrowych łatwo i tanio. Ich uniwersalność i elastyczność predestynuje je do wielu zastosowań. Sytuacja ta czyni z układów programowalnych jedną z najciekawszych dziedzin techniki, której opanowanie może być kluczem do sukcesu zawodowego wielu specjalistów elektroniki, inżynierii komputerowej i telekomunikacji.