Elementy cyfrowe i układy logiczne

Prezentacja na temat: "Elementy cyfrowe i układy logiczne"— Zapis prezentacji:

1 Elementy cyfrowe i układy logiczne
Wykład № 6 Dr Galina Cariowa

2 Legenda Procedura projektowania układów kombinacyjnych.
Podział układów VLSI.

3 Procedura projektowania
Specyfikacja Napisz, jeśli jeszcze nie istnieje, specyfikację układu Opracowanie opisu formalnego Wygeneruj tablicę prawdy lub początkowy zestaw równań boolowskich, które definiują wymagane zależności między wejściami a wyjściami układu Optymalizacja Wykonaj dwupoziomową lub wielopoziomową optymalizację. Narysuj schemat lub dostarcz listę połączeń układu z wykorzystaniem bramek AND, OR i NOT. Wybór i realizacja w technologii Przekształć schemat logiczny lub listę połączeń w nowy schemat lub w nową listę połączeń zgodnie z wymaganiami dostępnej technologii implementacji układu Weryfikacja Sprawdź poprawność końcowego projektu

4 Wyświetlacz segmentowy (specyfikacja)
Przykład. Projekt dekodera kodu BCD na kod wyświetlacza 7 – segmentowego. Każda cyfra wyświetlacza diodowego jest zbudowana z 7 segmentów LED (dioda elektroluminescencyjna). Każdy segment może zostać podświetlony za pomocą sygnału cyfrowego. Dekoder BCD na podstawie cyfry dziesiętnej w kodzie BCD generuje sygnały wyjściowe dla poszczególnych segmentów wyświetlacza, aby wyświetlił on tę cyfrę .

5 Wyświetlacz segmentowy (specyfikacja)
Siedem wyjść dekodera (a, b, c, d, e, f, g) odpowiada określonym segmentom wyświetlacza.

6 Wyświetlacz segmentowy (specyfikacja)
Dekoder kodu BCD ma cztery wejścia oznaczone symbolami A, B, C, D, które odpowiadają cyfrze kodu BCD, i siedem wyjść, a, b, c, d, e, f, g, które sterują poszczególnymi segmentami wyświetlacza.

7 Wyświetlacz segmentowy (opracowanie opisu formalnego)
Każda cyfra BCD powoduje zapalenie odpowiednich segmentów wyświetlacza. (np.0101 odpowiada 5, która jest wyświetlana za pomocą segmentów a, c, d, f oraz g). Tablica prawdy układu kombinacyjnego: Tablica prawdy zakłada, że sygnał odpowiadający logicznej 1włącza dany segment, a sygnał odpowiadający logicznemu 0 go wyłącza. Nieużywanym kombinacjom binarnym przypisujemy stan wyłączenia wszystkich segmentów.

8 Wyświetlacz segmentowy (Optymalizacja)
Informację z tablicy prawdy przenosimy do siedmiu tablic Karnaugha.

9 Wyświetlacz segmentowy
Niezależna implementacja: AND – 27, OR – Wspólne iloczyny – 14.

10 Wybór i realizacja w technologii

11 Podział układów ze względu na stopień scalenia

12 Podstawowe metody projektowania układów VLSI

13 Podstawowe metody projektowania układów VLSI
układy zamawiane przez użytkownika (full-custom) układy projektowane przez użytkownika (semi-custom) układy programowane przez użytkownika Gate Array Standard Cell Design PLD FPGA PAL PLA MAX TLU MUX Gates

14 Podział układów VLSI Wielkie standardy – układy produkowane głównie z inicjatywy producenta. ASIC – (application specific inegrated circuits) to układy na zamówienie klienta.

15 Wielkie standardy Standardowe układy –
uniwersalne elementy o strukturze niemodyfikowalnej po wyprodukowaniu. bramki i układy funkcjonalne rodzin TTL, ECL, MOS, mikroprocesory, pamięci.

16 Podział układów ASIC W zależności od technologii i techniki projektowania specjalizowane układy scalone klasyfikujemy w następujących kategoriach: Układy na zamówienie z pełnym cyklem projektowania (full-custom); Układy na zamówienie z ograniczonym (niepełnym) cyklem projektowania ( semi-custom); Układy programowane przez użytkownika (PLD).

17 Układy ASIC

18 Układy na zamówienie z pełnym cyklem projektowania (full-custom):
W tej metodzie wykonuje się cały projekt układu, wykonuje się „ręcznie” projektowanie każdego elementu układu, wzajemnego rozmieszczenia elementów i połączeń między nimi. Ze względu na wysokie koszty, metoda ta jest uzasadniona dla układów gęsto upakowanych, szybkich i sprzedawanych w wielkich ilościach.

19 Zalety metody full-custom:
1.Największa uniwersalność. 2.Możliwość minimalizacji powierzchni układu. 3. Pełna swoboda projektanta. Wady metody full-custom: 1. Wysoki koszty. 2.Czasochłonna. 3.Skomplikowana. 4. Raz wyprodukowany układ nie może zmienić swojej funkcji.

20 Układy semi-custom W grupie układów projektowanych przez użytkownika wyróżnić można: układy wykorzystujące komórki standardowe (standard cell design); b) układy na płytkach wstępnie przygotowanych jak matryce bramek AND (gate arrays).

21 Metoda semi-custom Cechą charakterystyczną układów Semi - custom jest wielokrotne wykorzystywanie raz zaprojektowanych bloków funkcjonalnych, które są przechowywane w bibliotece. Bloki takie są zwane komórkami bibliotecznymi. Wielkości struktur scalonych oraz ich parametry elektryczne są z góry narzucone.

22 Metoda standard-cells
Projektant ma do dyspozycji bibliotekę gotowych już wcześniej zaprojektowanych bramek logicznych, z których składa układ. Te części projektu są łączone ze sobą tworząc projekt układu scalonego.

23 Układy standard - cells
Projektowanie matryc komórek polega na składaniu układu z gotowych bramek, multiplekserów, liczników, itp., a następnie przesłaniu tak zaprojektowanego układu do producenta, który korzystając z biblioteki masek wytwarza zamówione układy

24 Zalety metody standard - cells:
Mniejsze nakłady finansowe Wady: 1.Mniejsza gęstość upakowania. 2.Układy standard cells są wolniejsze od układów full-custom.

25 Metoda Gate arrays Projektant ma gotowe płytki dla każdego nowego projektu i wykonuje jedynie połączenia pomiędzy elementami logicznymi znajdującymi na gotowej matrycy bramek o określonych rozmiarach. Wiele czynności składających się na proces wytwarzania jest wspólnych, więc mogą być wykonany w wielu projektach.

26 Zalety metody gate arrays (semi-custom):
1.Możliwość wcześniejszego wyprodukowania płytek zawierających matryce komórek bez połączeń. 2.Mniejszy czas projektowania układu od rozpoczęcia projektu do otrzymania gotowego ukladu. 3.Najtańsza metoda. Wada: Marnotrawstwo powierzchni układu –wiele komórek zwykle pozostaje niewykorzystanych.

27 Układy FPLD Czas potrzebny do otrzymania prototypów nowo zaprojektowanego układu w stylu Full-custom lub Semi-custom jest rzędu co najmniej kilku tygodni. W przypadku małych serii układów specjalizowanych (do kilku tysięcy) najbardziej opłacalne jest zastosowanie przez użytkownika układów programowanych FPLD - Field Programmable Logic Devices, (programowalne moduły logiczne).

28 Układy programowane przez użytkownika (PLD):
Układy programowalne to układy typu matrycowego lub komórkowego, jednak z możliwością programowania połączeń elektrycznych. Producent dostarcza „prefabrykaty” projektantowi, który może je zaprogramować u siebie „na biurku”.

29 Układy programowane przez użytkownika (PLD):
Układy PLD - gotowe wyprodukowane układy scalone, których właściwości funkcjonalne są definiowane nie przez producenta, lecz przez końcowego użytkownika. Najważniejsza cecha układów PLD: Możliwość nadawania układom przez programowanie określonych przez użytkownika cech funkcjonalnych.

30 Zalety metody PLD: Wady metody PLD:
1.Krótki czas opracowania prototypu; 2.Łatwość jego modyfikacji; 3.Dostępne są „z półki”; 4.Szybkość działania; 5.Doskonałe parametry pojemności. 6. Jedyne rozwiązanie dla urządzeń unikatowych. Wady metody PLD: Duży koszt jednostkowy.

31 Wykres zależności pomiędzy metodami projektowania, a czasem projektowania, kosztem i prawdopodobieństwem sukcesu (tj. poprawnego działania pierwszej zaprojektowanej wersji układu bez przeróbek i poprawek)

32 Ukłądy ASIC charakteryzuje:
1. Wyższa niezawodność 2.Mniejsza pracochłonność 3. Mniejszy koszt 4. Nowe funkcje 5. Lepsze parametry 6. Ochrona myśli technicznej

33 Komórki W przypadku technologii z niepełnym cyklem projektowania i technologii opartych na matrycach bramkowych układy są konstruowane przez połączenie komórek. Biblioteka komórek – zbiór komórek dostępnych dla danej technologii implementacji. Każda komórka jest dokładnie opisana. Biblioteka opisanych komórek stanowi fundament procesu wyboru i realizacji układów w określonej technologii (ang. technology – mapping)

34 Biblioteka komórek Biblioteki komórek mogą składać się:
1) z bramek jednego typu, takich jak bramki typu NAND; 2) z bramek wielu typów. Komórki w określonej technologii projektowania są zorganizowane w postaci jednej lub kilku bibliotek.

35 Biblioteka komórek Układ, który początkowo składa się z bramek AND, OR i NOT, w trakcie etapu wyboru technologii jest przekształcany w taki układ, w którym występują tylko komórki z zastosowanej biblioteki.

36 Specyfikacja komórek Schemat logiczny funkcji realizowanej przez komórkę. Wymagania dotyczące powierzchni zajmowanej przez komórkę, często znormalizowanej względem powierzchni małej komórki (np. inwertera). Obciążenie wejściowe, wyrażone w obciążeniach standardowych. Opóźnienia sygnału z każdego wejścia komórki do każdego wyjścia komórki. Jeden lub wiele przykładowych zastosowań komórki w implementacjach. Jeden lub wiele modeli komórki w postaci opisów w HDL.

37 Specyfikacja komórek c.d.
A także (opcjonalnie, jeśli narzędzie automatycznie generuje rozmieszczenie elementów układu): Rozmieszczenie elementów układu scalonego dla komórki. Plan rozmieszczenia wejść, wyjść oraz połączeń zasilania i masy komórki.

38 Przykład biblioteki komórek, wykorzystywanej w procesie wyboru technologii

39 Przykład biblioteki komórek c.d.

40 Obliczanie opóźnienia komórki (wpływ obciążenia na opóźnienie komórki)
Wyjście komórki 2NAND steruje komórkami: inwerterem, 4NAND, 4NOR. Suma obciążeń standartowych wejściowych: Opóźnienie komórki 2NAND, sterującej komórkami inwerter, 4NAND, 4NOR:

41 Techniki wyboru i realizacji w określonej technolocii
Przekształcenie projektu układu z użyciem bramek typu AND, OR oraz inwerterów w projekty oparte na stosowaniu komórek dostępnych w technologiach realizacji układu.

42 Procedura konwersji AND (OR) do NAND (NOR)
Generacja układu zbudowanego z bramek NAND (lub NOR) o nieograniczonej liczbie wejść.

43 Procedura konwersji AND(OR) do NAND (NOR)
Krok 3: Nie zmieniając funkcji logicznej: Reguła przepychania inwertera przez węzeł układu

44 Procedura konwersji AND-OR do NAND (NOR)

45 Przykład 1. Zrealizować funkcję za pomocą układu zawierającego tylko bramki NAND.
Inwerter 5 zostaje przepchnięty za węzeł x Usuwamy pary inwerterów (1,2) i (3,4)

46 Przykład 2. Zrealizować funkcję za pomocą układu zawierającego tylko bramki NOR.
Usuwamy pary inwerterów (1,2) i (1,3). Usuwamy pary inwerterów na wejściu D

47 Procedura konwersji AND (OR) do NAND (NOR)
1. W pierwszym przykładzie koszt wejść bramkowych zaimplementowanego układu wynosi 12, a w drugim -14. 2. W pierwszym przykładzie maksymalna liczba szeregowo połączonych bramek wynosi 3 bramki , natomiast w drugim- aż 5. Z tego wynika że maksymalne opóźnienie między zmianą sygnału na wejściu a zmianą na wyjściu jest najprawdopodobniej większe. implementacja z użyciem bramek NAND jest mniej kosztowna

48 Procedura projektowania układu
Ręczna analiza układu logicznego Symulacja komputerowa Weryfikacja funkcjonalna układu Weryfikacja ma wykazać, czy końcowy układ jest zgodny z początkowej specyfikacją. Weryfikacja ma za zadanie zapobiegać wytwarzaniu i praktycznemu stosowaniu błędnie zaprojektowanych układów.

49 Dziękuję za uwagę