Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

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1 Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Faculdade de Informática (FACIN-PUCRS) Introdução a Organização de Computadores Parte 2 – Uma Re-Introdução a Sistemas Digitais (com VHDL) Ney Calazans Última alteração: 23/09/2011 1

2 Sumário 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs
Org_Comp 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais 4 - Taxonomia de SDs 5 - O Processo de Projeto de SDs 6 - Componentes Digitais Importantes em Organização de Computadores

3 1 - Sistemas Digitais – Definição Estrutural
Sistema Digital – Um Aparato dotado de conjuntos finitos de entradas e saídas e capaz de processar informação representada sob forma numérica. Em francês, systèmes numériques! Sistema Digital Processamento Numérico de Informação Entradas Saídas E(1) Î 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)

4 Sumário 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs
Org_Comp 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais 4 - Taxonomia de SDs 5 - O Processo de Projeto de SDs 6 - Componentes Digitais Importantes em Organização de Computadores

5 2 - Projeto e Fabricação de Sistemas Digitais
Três ramos do conhecimento científico envolvidos: Ciência da Computação Física de Semicondutores Matemática Aplicada Ciência da Computação Física de Semicondutores Métodos de Fabricação Auxiliada por Computador Métodos de Modelagem de Processos Físicos Métodos de Projeto Auxiliado por Computador Engenharia de Sistemas Digitais VLSI Sistemas Matemática Aplicada

6 2 - 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 1cm2 de lado, espessura < 1mm, mais 109 dispositivos Parâmetro de base - “min-feature-size”: em ,25µm/ em ,18µm e 0,12µm; hoje 0,028µm ou 28nm!! Um fio de cabelo = ~70mm de diâmetro, oco. É possível passar 19,6 milhões de fios da tecnologia 28nm por dentro de um único fio de cabelo!!

7 2 - Processos Planares de Fabricação
“silicon wafer” ou “bolacha de silício” chip circuitos de teste

8 2 - Um Exemplo de Circuito Integrado
As zonas em azul claro e escuro representam duas camadas de metal (no caso, fios de alumínio) CPU da HP (1987) transistores

9 2 - Um Microprocessador – Pentium-Pro

10 Estado da Arte em Processadores – exemplo de chip de pesquisa da Intel
1 - Motivação Tecnologia CMOS 65nm Interconexões 1 poly, 8 metal (Cu) Transistores 100 Milhões Área do Chip 275 mm2 Área do Tijolo 3 mm2 Encapsulamento 1248 pinos, 14 camadas, 343 pinos E/S Estado da Arte em Processadores – exemplo de chip de pesquisa da Intel

11 2 - Projeto e Fabricação de SDs – a lei de Moore
“A densidade de Circuitos Integrados dobra a intervalos regulares de 18 meses” Gordon E. Moore, (1965)

12 Sumário 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs
Org_Comp 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais 4 - Taxonomia de SDs 5 - O Processo de Projeto de SDs 6 - Componentes Digitais Importantes em Organização de Computadores

13 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais
SD Combinacional - comportamento de cada saída descrito como função exclusivamente dos valores instântaneos das entradas A 1 B A^B

14 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais
Oscilador em Anel SD Seqüencial - qualquer SD que não possa, em geral atender à definição de SD combinacional 1 bit de RAM Captura de Zeros

15 3 - Armazenamento de Informação e Estado
Em geral, laço de realimentação implica armazenar informação, e conceito de estado Contra-exemplo: circuito com realimentação, contudo combinacional Estado - excluindo realimentações redundantes, cada configuração distinta de valores destas

16 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais
Definição de tipos de SDs baseada em estados Todo SD é um SD seqüencial SD combinacional - possui apenas 1 estado SD estritamente seqüencial - sob mesmas condições, possui mais de um estado

17 Sumário 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs
Org_Comp 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais 4 - Taxonomia de SDs 5 - O Processo de Projeto de SDs 6 - Componentes Digitais Importantes em Organização de Computadores

18 4 - 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.

19 flexibilidade Uma Classificação de CIs baseada em quatro critérios

20 4 - Circuitos FPGA Blocos com função lógica programável
Linhas de conexão Canal

21 Sumário 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs
Org_Comp 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais 4 - Taxonomia de SDs 5 - O Processo de Projeto de SDs 6 - Componentes Digitais Importantes em Organização de Computadores

22 5 - O Processo de Projeto de SDs
Processo de Projeto - descrição inicial (especificação)  descrição final (projeto final ou detalhado) Diferença entre especificação e projeto final - quantidade de informação Informação no projeto final permite fabricar automaticamente (ou quase) o SD Problema - controlar a complexidade de projeto VLSI!

23 5 - Níveis de Abstração de Projeto

24 5 - O Processo de Projeto de SDs
Problema derivado - complexidade impede passagem direta especificação projeto final; Solução - decomposição hierárquica do processo de projeto, continuum de descrições; Complexidade requer organização da hierarquia de descrições - modelos para representar o processo de projeto.

25 ... 5 - Modelo de Suzim Suzim propõe modelo unidimensional
Validação Síntese Nível de Abstração i+1 Nível de Abstração i Extração Otimização ... Critério: nível de abstração Nível de abstração = quantidade de informação Transformação entre níveis (aresta) = ferramenta de projeto Nível de abstração (vértices) = conjunto de descrições

26 5 - Modelo de Gajski-Kuhn ou Diagrama Y
Elétrico Lógico Arquitetural Sistêmico Domínio Estrutural Domínio Comportamental Domínio Físico Processadores, Memórias, Barramentos Registradores, ULAs, Muxs, Decods Portas Lógicas, Biestáveis Transistores, Lineares Funções 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 Modelo bidimensional Critérios: nível de abstração e domínio de descrição Domínio de descrição = tipo de informação Círculo = nível de abstração, eixo = domínio de descrição Intersecção círculo-eixo (vértices) = descrição Transformação entre níveis (aresta no grafo) = ferramenta

27 idéia Mais abstração Circuito Real (fabricado) Sistêmico Algorítmico
Micro arquitetural Lógico Elétrico Eixo Comportamental Eixo Estrutural idéia Mais abstração Circuito Real (fabricado) Eixo Geométrico

28 Eixo Comportamental Sistêmico Algorítmico Micro arquitetural Lógico
Elétrico Eixo Estrutural Eixo Geométrico processadores, memórias, barramentos módulos de hardware registradores, multiplexadores, operadores Portas lógicas, flip-flops Transistores, resistores, capacitores, indutores Funções de transferência, equações diferenciais Equações booleanas, tabelas verdade, BDDs Máquinas de estado finitas, operações Algoritmos Especificações funcionais Leiaute das máscaras, retângulos, polígonos Células de biblioteca, modelos de posição de pinos Macro-células, planta baixa de blocos Módulos, clusters, cores, planos de clock/alimentação Partições físicas, componentes, placas

29 Eixo Comportamental Sistêmico Algorítmico Micro arquitetural Lógico
Elétrico Eixo Estrutural Eixo Geométrico C, C++, Hardware C Java processadores, memórias, barramentos módulos de hardware registradores, multiplexadores, operadores Portas lógicas, flip-flops Transistores, resistores, capacitores, indutores Funções de transferência, equações diferenciais Equações booleanas, tabelas verdade, BDDs Máquinas de estado finitas, operações Algoritmos Especificações funcionais VHDL EDIF Spice Spice CIF, GDS2 Leiaute das máscaras, retângulos, polígonos Células de biblioteca, modelos de posição de pinos Macro-células, planta baixa de blocos Módulos, clusters, cores, planos de clock/alimentação Partições físicas, componentes, placas LEF / DEF

30 1- “síntese” 2- simulação 3- mapeamento 5- fabricação 4- place&route
Eixo Comportamental Sistêmico Algorítmico Micro arquitetural Lógico Elétrico Eixo Estrutural Eixo Geométrico processadores, memórias, barramentos módulos de hardware registradores, multiplexadores, operadores Portas lógicas, flip-flops Transistores, resistores, capacitores, indutores Funções de transferência, equações diferenciais Equações booleanas, tabelas verdade, BDDs Máquinas de estado finitas, operações Algoritmos Especificações funcionais 1- “síntese” 2- simulação 3- mapeamento 5- fabricação Leiaute das máscaras, retângulos, polígonos Células de biblioteca, modelos de posição de pinos Macro-células, planta baixa de blocos Módulos, clusters, cores, planos de clock/alimentação Partições físicas, componentes, placas 4- place&route Processo Clássico de Sistemas Digitais (projeto RTL, do inglês, Register Transfer Level)

31 Sumário 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs
Org_Comp 1 - Sistemas Digitais 2 - Projeto e Fabricação de SDs 3 - SDs Combinacionais e Sequenciais 4 - Taxonomia de SDs 5 - O Processo de Projeto de SDs 6 - Componentes Digitais Importantes em Organização de Computadores

32 6 - Componentes Digitais Importantes em OrgComp
Circuitos Combinacionais Circuitos Sequenciais Portas lógicas Elementares, Vetores de Portas Lógicas Somadores / Subtratores Multiplexadores Decodificadores Comparadores ULA Flip-flops e Registradores (deslocamento, carga paralela, acumulador, serial-paralelo, etc.) Contadores (binário e outros, up, down, up-down, etc.) Memórias RAM Máquina de Estados

33 6 - Portas lógicas Elementares, Vetores de Portas
A <= B and C; -- Implementa o quê em VHDL? Uma porta AND de duas entradas, se A, B e C forem fios Um vetor de n portas AND de duas entradas, caso A, B e C sejam vetores de n bits Notem, se A, B, C não tiverem todos a mesma largura  Erro de sintaxe em VHDL! O mesmo vale para outras portas A <= B and C and D; Esta descrição muda a(s) portas AND de duas entradas para ANDs de três entradas

34 6 - Portas lógicas Elementares, Vetores de Portas
A <= B nand C; Cuidado com lógica negada! A linha acima implementa uma ou mais porta(s) NAND de duas entradas A <= B nand C nand D; Esta descrição é um erro de sintaxe! Porquê? A <= B nand (C nand D); Esta descrição compila OK, mas o que ela gera? Isto não é (não são) uma NAND (NANDs) de 3 entradas! A <= not (B and (C and D)); Isto é (são) uma NAND (NANDs) de 3 entradas! Ou seja, cuidado com lógica negada!!

35 6 - Componentes Digitais Importantes em OrgComp
Circuitos Combinacionais Circuitos Sequenciais Portas lógicas Elementares, Vetores de Portas Lógicas Somadores / Subtratores Multiplexadores Decodificadores Comparadores ULA Flip-flops e Registradores (deslocamento, carga paralela, acumulador, serial-paralelo, etc.) Contadores (binário e outros, up, down, up-down, etc.) Memórias RAM Máquina de Estados