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1/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Faculdade.

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2 1/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Faculdade de Informática Grupo de Apoio ao Projeto de Hardware - GAPH Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Março / 2000 Parte 1 - FPGAs e Projeto de Sistemas Digitais Complexos

3 2/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Idéia Central do Curso Mudar a maneira de pensar, projetar e desenvolver produtos contendo sistemas digitais de alta complexidade: considerar a criação de hardware personalizado, ao invés de só usar dispositivos de prateleira. Mas, por quê?

4 3/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Por quê Mudar? FPGAs: possíveis ganhos dramáticos de custo e desempenho; FPGAs permitem: –criar hardware como software; –mudar hardware total ou parcialmente; –alterar hardware, durante funcionamento ou não; Atualizações: como software, e.g. via Internet; 40% dos FPGAs vendidos: valor agregado a produtos telecom; FPGAs: capacidade hoje de a de portas NAND; CAD: poderosíssimo e complexo, pré-validação imprescindível; VHDL: alto nível de abstração para projeto e validação; VHDL: ferramentas de síntese automatizada para FPGAs. Pessoal de Informática PODE fazer projeto de SDs complexos! Visa-se, finalmente, produtos mais competitivos!

5 4/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Homepage de fabricantes de PLDs, e.g.: –www.xilinx.com, Homepage de fabricantes de plataformas de prototipação e.g.: –www.xess.com/FPGA, Página de plataformas baseadas em FPGA de S. Guccione: –www.io.com/~guccione/HW_list.html Homepage de fabricantes de sistemas de CAD: –www.synopsys.com, Homepage de links para sites relacionados a FPGAs: –http://www.mrc.uidaho.edu/fpga/ Livros disponíveis na biblioteca sobre FPGAs, VHDL, Codesign Onde Buscar Mais Informações?

6 5/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Sumário 1 - Introdução 2 - FPGAs 3 - Projeto de SDs usando CAD 4 - O Desafio de Sistemas Complexos

7 6/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans 1 - Introdução Sistema Digital Processamento Numérico de Informação EntradasSaídas E(1) C(1) E(2) E(K-2) E(K) E(K-1) S(1)C(K+1) S(2) S(3) S(L) S(L-1) C(2) C(K-2) C(K-1) C(K) C(K+2) C(K+3) C(K+L-1) C(K+L) Sistema Digital - Aparato dotado de conjuntos finitos de entradas e saídas e capaz de processar informação representada sob forma numérica. Em francês, systèmes numériques!

8 7/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Projeto e Fabricação de SDs VLSI Projeto de SDs - método p/ desenvolver plano de um SD manufatura automática; Estilo de Projeto - conjunto de métodos; Base da tecnologia atual - processos planares de fabricação; CI VLSI moderno - pastilha de 1cm 2 de lado, espessura 10 7 dispositivos; Parâmetro de base - min-feature-size: em ,25µm/ em ,18µm e 0,12µm;

9 8/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Taxonomia de SDs Fundamental - escolha de critérios de classificação adequados; Ortogonalidade - meta da escolha de critérios; Critérios - podem depender de diversas características físicas, de uso, de construção, de custo, etc. Critérios: –personalizabilidade –programabilidade –retenção da personalização –complexidade –forma de produção –relação entradas/saídas –pressupostos de sincronismo, etc.

10 9/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Uma classificação de CIs baseada em vários critérios

11 10/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Modelo de Gajski-Kuhn ou Diagrama Y Modelo bidimensional; Critérios: nível de abstração e domínio de descrição; Domínio de descrição = tipo de informação; Elétrico Lógico Arquitetural Sistêmico Domínio EstruturalDomínio Comportamental Domínio Físico Processadores, Memórias, Barramentos Registradores, ULAs, Muxs, Decods Portas Lógicas, Biestáveis Transistores, LinearesFunções de Transferência, Equações Diferenciais Expressões Booleanas, Tabelas de Transição HDLs, Transferência entre Registradores Processos Comunicantes, Algoritmos Placas, Módulos Multi-chip Planta Baixa de Blocos de CIs Planta Baixa de Células Lógicas "Layout" de Transistores e Lineares Círculo = nível de abstração, eixo = domínio de descrição; Intersecção círculo-eixo (vértices) = descrição; Transformação entre níveis (aresta no grafo) = ferramenta.

12 11/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Exemplo de representação do processo de projeto Processo Clássico de Projeto de SDs Ponto de Partida - especificação informal; Captura/Validação - Editor de esquemáticos e Simulador; Síntese física - Posicionamento e Traçado de Rotas, seguido de back-annotation e ressimulação;

13 12/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans 2 - FPGAs Introdução - PLDs Características Gerais de FPGAs Arquitetura da Família XC4000 da Xilinx Fluxo de Projeto p/ a Família XC4000

14 13/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Introdução - PLDs Dispositivo eletrônico configurável pelo usuário –Descrição do circuito - Esquemático: nível lógico de abstração; Linguagem de Descrição de Hardware: nível arquitetural de abstração; Máquinas de estados finitas (FSM) –Configuração permanente, semipermanente ou dinâmica –Reconfiguração parcial durante funcionamento ou não CPLD: Complex Programmable Logic Device –Arquiteturas de circuitos configuráveis baseados numa estrutura do tipo PAL ( AND/OR gates) –Baixa complexidade –Aplicação: pequenos projetos lógicos FPGA: Field Programmable Gate Array –Arquiteturas de circuitos configuráveis constituídos por um número elevado de pequenos elementos –Complexidade elevada, milhares de portas lógicas –Aplicação: sistemas digitais complexos

15 14/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Memória de Configuração : –EPROM –EEPROM –Flash –Antifusíveis –SRAM Fabricantes –Xilinx - SRAM (XC3000/4000, Spartan, Virtex) e Flash (XC9500) –Altera - SRAM (Flex8K/10K), EPROM/EEPROM (Max5K/7K,9K) –Vantis –Lattice –Actel - Antifusíveis (ACT e ACT2) –Lucent, QuickLogic, … Tecnologias de Implementação e Fabricantes

16 15/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Mercado de FPGAs em 1997 $ Millions Source: Company reports & In-Stat. Includes SPLD, CPLD, FPGA revenues.

17 16/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Características Gerais de FPGAs Configuração das funções lógicas combinacionais Configurabilidade e Reconfigurabilidade Opções de Arquiteturas Internas Tendência Atual XILINX - Família 4000 Número de portas lógicas equivalentes Altera - Família 10k

18 17/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Configuração das funções lógicas combinacionais LUT (look-up table): Altera, Xilinx LUT - armazena uma tabela verdade de n entradas LUT de n entradas - todas as funções Booleanas de n entradas DADCADCBADCBAF......),,,( )14,12,10,8,7,3,0(),,,(DCBAF A B C D Altera : –LUT com portas lógicas - PLD –Plano E configurável, conectado a uma porta lógica OU tabela verdade armazenada em bits de memória, um registrador!! variáveis das funções lógicas ativam seleção no mux (2 ) 4 = 64K funções implementáveis

19 18/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Configuração das funções lógicas combinacionais Multiplexador: Actel, QuickLogic, Algotronix –estrutura conhecida como gerador universal de funções lógicas - ULG –Não implementa todas as funções lógicas de n entradas –Funções lógicas mais complexas requerem diversos ULGs A B C D Saída C1 C2 C3 0 D 0 A 1 b c CBADCDCBAF...),,,(

20 19/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Configurabilidade e Reconfigurabilidade Antifusível - Actel, QuickLogic, CrossPoint –todas os pontos de conexão entre blocos lógicos estão inicialmente abertos –no momento da configuração do dispositivo FPGA, estes pontos são conectados permanentemente EPROM/EEPROM - Altera, AMD –o dispositivo pode ser reconfigurado, removendo-se os dados através de exposição a raios ultra-violeta Memória SRAM/Flash - Xilinx, Altera, Algotronix –o dispositivo FPGA deve ser configurado a cada utilização (ao conectar à alimentação)

21 20/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Opções de Arquiteturas Internas Blocos de entrada / saída Linha de blocos lógicos Recursos horizontais de roteamento Linhas de Blocos Lógicos - Actel –arquitetura semelhante a ASICs baseados em bibliotecas de células Mar de Blocos Lógicos - Algotronix –Os recursos de roteamento são alocados sobre os blocos lógicos –Não há região dedicada de roteamento

22 21/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Opções de Arquiteturas Internas Bloco 4x4 Bloco 16x16 Bloco Lógico Hierárquico - Xilinx 6200 –permite a reconfiguração parcial do FPGA Matriz simétrica - Xilinx 4000 –matriz de blocos lógicos com recursos horizontais e verticais de roteamento

23 22/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Tendência Atual Os dispositivos configuráveis com maior penetração no mercado possuem as seguintes características: –bloco lógico implementado como LUT (3-4 entradas) –configuração via memória SRAM (SRAM based), reconfigurável –arquitetura do tipo matriz simétrica Razão –LUTs simplificam as ferramentas de síntese lógica –SRAM based permitem inúmeras reconfigurações –Matriz simétrica contém um número maior de recursos de roteamento Principais Fabricantes: Xilinx e Altera

24 23/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans XILINX - Família 4000 Família VIRTEX: 50K até 4M de portas lógicas equivalentes, (4Mportas ao final de 1999). Altera tem Apex (~1,7M)

25 24/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Número de portas lógicas equivalentes Year Logic CellsLogic Gates 1,000 10, ,000 1,000, M 1.2M 120K 12K 2 Million logic gates 4Mportas - de fato em Jul/1999

26 25/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Altera - Família 10k Família Apex : 50K até ~1,7M portas lógicas equivalentes

27 26/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Arquitetura da Família XC4000 da Xilinx Interconexão Configurável I/O Blocks (IOBs) Alta densidade: até 1M gates LUTs Tempo de reconfiguração inferior a 1 segundo Blocos lógicos configuráveis (CLBs)

28 27/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Bloco Lógico - CLB Unidade que implementa as funções lógicas. Contém: –2 LUTs de 4 entradas (F e G) e uma LUT de 3 entradas (H) –2 flip-flops –LUTs podem também ser utilizadas como ROM, RAM, RAM dupla-porta –Saídas podem ser conectadas ou não aos registradores –flip-flops podem ser também configurados como latches H1 H2 H3 G_LUT H_LUT FFX F_LUT FFY G1 G2 G3 G4 F1 F2 F3 F4 X XQ Y YQ

29 28/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Bloco Lógico - CLB Capacidade de cada CLB: –2 funções de 4 variáveis e 1 de 3 variáveis, através de FF (qquer f) ou –1 função de 5 variáveis (qquer f) ou –uma dentre um subconjunto das funções com 6 a 9 variáveis e Propagação rápida de carry (vai-um) e Dois FFs/latches para armazenar saídas de funções ou: 1 memória 32x1 ou 16x2, porta simples ou 16x2, porta dupla

30 29/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Bloco Lógico - CLB - família XC

31 30/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Arquitetura de FPGA Bloco K m trilhas canal de roteamento caixa de conexão CLB IO bloco de E/S chaves programáves

32 31/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Switch box - caixa de conexão Conecta as regiões de roteamento entre si Flexibilidade limitada para reduzir custo de hardware (Fs = 3)

33 32/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Switch box - roteamento Bloco K Exemplo de conexão entre duas redes Bloco K

34 33/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Recursos de Roteamento Diversos comprimentos de fios para reduzir atrasos –Linhas simples: entre CLBs vizinhos –Linhas duplas: a cada dois CLBs –Linhas longas: sinais globais como clock (baixo skew)

35 34/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans IN OUT Blocos de Entrada / Saída Possuem recursos de memória configuráveis (registrador ou latch) Pads configuráveis como entrada, saída ou bidirecionais Entradas podem utilizar registrador ou latch Saídas apenas registradores Possibilidade de definir sinais three-state (alta impedância) Slew rate de saída configurável. Boundary Scan

36 35/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans Recursos Adicionais Global clock buffers –Alta velocidade, baixo skew (escorregamento) –Podem ser utilizados para redes de alto fanout Global reset net –Conecta todos os registradores e latches do circuito FPGA Outros –Buffers three-state –Decodificadores para RAM –Oscilador com freqüências múltiplas –Propagação rápida de carry (vai-um)

37 36/58 TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS DIGITAIS I Fernando Gehm Moraes e Ney Laert Vilar Calazans PRÓXIMA AULAS 1. PROJETO DE SISTEMAS DIGITAIS USANDO CAD –fluxo de projeto em prototipação 2. SÍNTESE E ANÁLISE DE SISTEMAS DIGITAIS 3. FLUXO DE PROJETO EM PROTOTIPAÇÃO 4. PLATAFORMAS DE PROTOTIPAÇÃO 5. Estudo de Caso: PLACA LIRMM


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