This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Λογική Σχεδίαση Ψηφιακών ΣυστημάτωνΕφαρμογή της μαθηματικής λογικής στηλογική σχεδίαση των ψηφιακών συστημάτων(ονομάζεται και ψηφιακή σχεδίαση)
λογική μεταβλητή → δυαδικό σήμα
λογική τιμή ΑΛΗΘΕΣ → λογικό-1 (θετική λογική...)
λογική τιμή ΨΕΥΔΕΣ → λογικό-0 (θετική λογική...)
λογική πράξη ΚΑΙ → λογική πύλη AND
λογική πράξη Ή → λογική πύλη ΟR
λογική πράξη OXI → λογική πύλη NOT
Ζ = Α ΑΝD B ή Ζ = A B ή Ζ = ΑΒ (λογικό “γινόμενο”)
Βασική Λογική Πύλη ΑΝD
Α
ΒΖ
Α Β Ζ
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
πίνακας αλήθειας
Α
ΒΖ
00
1
1
11
Ζ = Α OR B ή Ζ = A+B (λογική “πρόσθεση”)
Βασική Λογική Πύλη OR
Α
ΒΖ
Α Β Ζ
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
πίνακας αλήθειας
Α
ΒΖ
0
11
0
00
Z = NOT A ή Ζ = Α‘ ή Ζ = Α (συμπλήρωμα)
Βασική Λογική Πύλη NOT
Α ΖΑ Z
0 1
1 0
πίνακας αλήθειας
Αντιστροφέας (inverter)
Πύλες με Περισσότερες από Δύο Εισόδους
Οι λογικές πύλες AND και OR μπορούν να έχουνκαι περισσότερες από δύο εισόδους
ΑΒ Ζ = A+B+C
ΑΒ Ζ = ABCD
C
CD
Λογικά ΚυκλώματαΑποτελούνται από λογικές πύλεςΛαμβάνουν δυαδικά σήματα Αi (i=1,2,..n)Παράγουν δυαδικά σήματα Ζk (k=1,2,..m)Υλοποιούν λογικές συναρτήσεις Fk
Χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες:Συνδυαστικά ΚυκλώματαΑκολουθιακά Κυκλώματα
….
A1A2
An
….
Z1Z2
Zm
ΛΟΓΙΚΟΚΥΚΛΩΜΑ
Είσοδος Α Έξοδος Ζ
Συνδυαστικά Κυκλώματα
Η έξοδος Ζ εξαρτάται μόνο από την τρέχουσα τιμήτης εισόδου ΑΓια κάθε σήμα εξόδου Ζκ ορίζεται η λογικήσυνάρτηση Zk = Fk(A1, A2, .., An), (k=1,2,..m)
….
A1A2
An
….
Z1Z2
Zk
ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΟΚΥΚΛΩΜΑ
Παράδειγμα Συνδυαστικού Κυκλώματος
Α
Β
C
Ζ
Z = F(A,B,C)= AB+C’
AB
C’
Υλοποιεί τη Λογική Συνάρτηση:
Ακολουθιακά Κυκλώματα (Ι)Η έξοδος Ζ εξαρτάται όχι μόνο από την τρέχουσατιμή της εισόδου Α, αλλά και από όλη τηνπαρελθούσα ακολουθία τιμών στην είσοδο Α.Το ακολουθιακό κύκλωμα διαθέτει μνήμη, δηλαδήέχει καταστάσεις (states) που του επιτρέπουν ναθυμάται όλη την παρελθούσα ακολουθία τιμώνπου λαμβάνει στην είσοδο Α. Η έξοδος Ζ εξαρτάται από την τρέχουσα τιμή τηςεισόδου Α και από την τρέχουσα κατάσταση S.Η επόμενη κατάσταση NS (next state) εξαρτάταιαπό την τρέχουσα τιμή της εισόδου Α και απότην τρέχουσα κατάσταση S.
Ακολουθιακά Κυκλώματα (ΙΙ)Για κάθε σήμα εξόδου Ζκ ορίζεται η λογική συνάρτηση (ΛΣ)Zk = Fk(A1, A2, .., An, S1, S2, .., St), (k=1,2,..m)Για κάθε σήμα επόμενης κατάστασης NSj ορίζεται η ΛΣNSj = Gj(A1, A2, .., An, S1, S2, .., St), (j=1,2,..t)
…
A1A2
An
…Z1Z2
ZmΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΟΚΥΚΛΩΜΑ
ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΝΗΜΗΣFlip-flops
τρέχουσακατάσταση
επόμενηκατάσταση
… …
ανάδρασηclock
S1
St
NS1
NSt
είσοδος έξοδος
Αλλαγή ΚατάστασηςΣύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα
αλλάζουν κατάσταση συνήθως στην ανερχόμενη ακμή (από 0 σε 1) ή στην κατερχόμενη ακμή (από 1 σε 0)του σήματος του ρολογιού (clock - CLK)(η ανάδραση ελέγχεται από το σήμα του ρολογιού)
Ασύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματααλλάζουν κατάσταση σε κάθε χρονική στιγμή(η ανάδραση δεν ελέγχεται από το σήμα του ρολογιού)
Volts
nsec
CLKσήμα ρολογιού
ανερχόμενη ακμή κατερχόμενη ακμή
Τεχνολογίες Υλοποίησης Στο Υλικό1930 : ρελέδες (relays)1940 : λυχνίες (tubes)
Επίπεδο πλακέτας, PCB (printed circuit board)Επίπεδο Chip, IC, VLSI κυκλώματος:
FPGA/CPLDASIC
Επίπεδο System on Chip (SoC)
Τρόποι Υλοποίησης VLSI Κυκλωμάτων
Gates
Routing Channel
Gates
Routing Channel
Gates
StandardALU
Standard Registers
Gates
Cus
tom
Con
trol
Log
ic
CustomRegister File
Custom Design Standard Cell Gate Array
CustomALU
ΑπόδοσηΣχεδιαστική πολυπλοκότητα
μακρινές διασυνδέσειςαπλωμένη σχεδίαση
κοντινές διασυνδέσειςμαζεμένη σχεδίαση
Διαδικασία Βιομηχανικής Παραγωγής VLSI
Slicer
Blank wafers
20 to 30 processing steps
Patterned wafersIndividual dices
Dietester
×
××
Bond die topackage
Packaged dices
Parttester ×
Tested packaged dices
Ship to customers
×
×
×
Εξέλιξη των Επεξεργαστών (Ι) Νόμος του Moore(1965, εκ των ιδρυτών της Intel):
"Η πυκνότητα σε transistorsενός επεξεργαστήδιπλασιάζεταικάθε 18-24 μήνες"
Σε 29 χρόνια ο αριθμός των transistors ενός μP έχει αυξηθεί > 900.000 φορέςαπό τα 2.250 (4004, 1971) στα 2,046 Δις (2010, Tukwila).
Εξέλιξη των Επεξεργαστών (ΙΙ)
Υψηλή κλίμακαολοκλήρωσης
Μεγάληπυκνότητα
Μεγάληταχύτητα
tr/cm2 (Μ) tr/μP (Μ)
Nanometer
Ρολόι (MHz)
811
1421
2476
40200
64520
1001400
250 180 130 100 70 50
750 1250 2100 3500 6000 10000
Χαρακτηριστικά 1997 1999 2002 2005 2008 2011
Μία πρόγνωση του 2000 πόσο έχει επαληθευτεί;
2502000
32
4000
2010
Albert Yu, Επικεφαλής του τομέα μικροεπεξεργαστών της IntelIEEE Micro, 1996: “The Future of Microprocessors”
«...Η απόδοση θα συνεχίσει να αυξάνεται, έως ότου φτάσουμεστο εξωπραγματικό νούμερο των 400.000.000 transistors
σε ένα ολοκληρωμένο διαστάσεων 1.7 inch το 2006.…Θα συναντήσουμε τρομερές τεχνολογικές δυσκολίες τις οποίεςπρέπει να ξεπεράσουμε για να επιτύχουμε αυτό το επίτευγμα.
Χρειάζεται να γνωρίζουμε πως θα συνδέσουμε, θα τροφοδοτήσουμε, θα ψύξουμε και θα ελέγξουμετην ορθή λειτουργία 400,000,000 transistors…»
Αλλά και τα Προβλήματα
Το Πρόβλημα της Κατανάλωσης Ισχύος
Το Πρόβλημα της Κατανάλωσης Ισχύος οδηγείστους Πολυπύρηνους Επεξεργαστές
Ισχύς = φορτίο χωρητικότητας x τάση2 x συχνότητα λειτουργίας
Σε 20 χρόνια οι τάσεις μειώθηκαν από τα 5V στο 1V, ενώ η συχνότητα λειτουργίας αυξήθηκε 1000 φορές. Με αυτόν τον τρόπο η ισχύς αυξήθηκε μόνο 30 φορές.Δεν υπάρχουν περιθώρια για περαιτέρω μείωση τηςτάσης λόγω αύξησης των ρευμάτων διαρροήςΔεν υπάρχουν περιθώρια για αύξηση της συχνότηταςλειτουργίας λόγω μείωσης της αξιοπιστίας και αύξησηςτου κόστουςΟι πολυπύρηνοι επεξεργαστές προσφέρουν βελτίωσητης απόδοσης χωρίς περαιτέρω αύξηση τηςσυχνότητας λειτουργίας
IBM Power 4: Καταναλώνει 115 Watts
Floatingpointunits
Ζεστάσημεία
Cachelogic
Θερμοκρασία: από 66.8 C μέχρι 82 C
O Επεξεργαστής Itanium 2 της Intel
Server Processor
των 592 M transistors
(9M)
Ο πιο σύνθετος επεξεργαστής (Intel Tukwila : 4 Core Itanium 2με 2,046 δισεκατομμύρια transistors σε ένα die των 7 cm2)
O Επεξεργαστής Tukwila της Intel
Το Μέλλον; Νανο-Τεχνολογίαμε Οργανικά Μόρια
Το Μέλλον; Νανο-Τεχνολογίαμε Οργανικά Μόρια
Επίπεδα Ψηφιακής Σχεδίασης
Αρχιτεκτονική σχεδίασηστο υψηλό επίπεδο της συμπεριφοράς του συστήματος
Λειτουργική σχεδίασηστο επίπεδο μεταφοράς καταχωρητών – register transfer level (RTL)
H σχεδίαση του υλικού έχει αρκετές ομοιότητεςμε τη σχεδίαση του λογισμικού
Τεχνολογία Ψηφιακής Σχεδίασης (ΙΙ)
Εργαλεία λογισμικού (CAD tools)schematic entryHDL editorslogic & time simulators – test benches HDL design compilers – synthesizers (VHDL, Verilog) test & power compilerscompilers for PLDs και FPGAsbehavioral synthesis compilershardware-software co-design toolsvalidation and verification tools
Για να κατανοήσετε ότι δεν γνωρίζετε το αντικείμενο
Τεχνολογία Ψηφιακής Σχεδίασης (ΙΙΙ)Σύνθεση συστημάτων σε υψηλό επίπεδο
Φορμαλιστική προδιαγραφή συμπεριφοράςΣυ-σχεδίαση υλικού και λογισμικού
• Αλγόριθμοι λογισμικού σε C και υλοποίησημε ενσωματωμένους επεξεργαστές (embedded processors)
• Αλγόριθμοι υλικού σε HDL και απευθείας υλοποίηση στο υλικόμε FPGAs ή ASICs
• πρωτόκολλο επικοινωνίας
H σύνθεση συστημάτων σε υψηλό επίπεδο συνδυάζειτην παράλληλη σχεδίαση του υλικού και του λογισμικούκαι στοχεύει στην υλοποίηση των SOCΕνσωματωμένα SoC συστήματα
ΣυμπεράσματαΗ τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (Ο.Κ.) οδηγεί τηβιομηχανία των υπολογιστώνΌσο εξελίσσεται η τεχνολογία των Ο.Κ. τόσο :
αυξάνεται η χωρητικότητα (υλοποίηση Systems-on-Chip)αυξάνεται η απόδοσηγίνεται πιο πολύπλοκη η διαδικασία της σχεδίασης και του ελέγχουαυξάνεται το κόστος υλοποίησηςπρέπει να περιορισθεί η κατανάλωση ισχύος
Πρέπει κατά τη σχεδίαση των συστημάτων να λαμβάνονται υπόψηοι περιορισμοί στην απόδοση, στην πακετοποίηση, στο κόστος, στην κατανάλωση ισχύος και στη δοκιμαστικότητα,Πρέπει να αντιμετωπίζουμε το hardware και το software σαν μίαολότητα και όχι σαν χωριστά τμήματα