Download INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
1
INDICE.
•
•
•
•
•
Circuitos integrados. Introducción.
Evolución del diseño electrónico.
La Lógica Programable.
El lenguaje VHDL.
El codiseño Hardware- Software.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
2
CIRCUITOS INTEGRADOS
• Un Circuito Integrado (C.I.) es un circuito
electrónico donde tanto los componentes
como su conexionado se construyen en un
mismo dado de material semiconductor (Si)
chip
• 1958 J. Kilby (Texas Instr.) primer C.I.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
3
• Rápida evolución:
Componentes SSI → Procesador VLSI
•
•
•
•
Circuitos más complejos
Metodologías nuevas de diseño
Herramientas nuevas de diseño
Desarrollo paralelo
Microelectrónica ↔ Informática
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
4
METODOLOGÍA MODULAR DE DISEÑO
Alternativas para implementar un sistema digital en un CI:
Digital
Logic
Standard
Logic
TTL
74xx
CMOS
4xxx
Progammable
Logic (FPLDs)
PLDs
FPGAs
Full
Custom
ASICs
Microproce ssor
& RAM
CPLDs
Gate
Arrays
Standard
Cell
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
5
Alternativas de diseño electrónico
• Diseño basado en CIs estándar (primera alternativa):
– Inicialmente los CIs eran del tipo SSI, o MSI: puertas, registros,
pequeñas RAMs,...
– Permitieron el desarrollo de sistemas de complejidad baja o
intermedia de forma sencilla
– Mantenimiento y reproductibilidad flexible .
– No válido para sistemas más complejos: problemas de velocidad,
consumo, confidencialidad,...
– Actualmente: prácticamente en desuso a nivel comercial.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
6
Alternativas de diseño electrónico
• FULL-CUSTOM (VLSI).
– Diseño de un sistema electrónico “totalmente a medida”
integrando todos los elementos necesarios en un solo chip.
– Se optimiza el diseño desde el nivel más bajo (transistor),
diferentes tecnologías.
– Necesidad de complejas herramientas de diseño basadas en el
uso del computador: simuladores, elementos de test,....
– Prestaciones altas (velocidad, consumo,..) y alto grado de
confidencialidad
– Costos de ingeniería de diseño y fabricación muy grandes.
– Plazos de diseño largos
– Solución válida para muy grandes series: microprocesadores,
RAMs,...Poco atractiva para diseñadores.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
7
Alternativas de diseño electrónico
• ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Semi-custom.
– Diseño de un sistema electrónico para un propósito específico,
integrando todos los elementos necesarios en un solo chip, pero
basado normalmente en elementos prediseñados (bibliotecas de
celdas).
– Necesidad de herramientas de diseño basadas en el uso del
computador: bibliotecas de celdas prediseñadas, simuladores,...
– Prestaciones altas (velocidad, consumo,..) y alto grado de
confidencialidad
– Costos de ingeniería de diseño y fabricación no tan elevados, pero
la última fase de fabricación ha de realizarse en una empresa
especializada.
– Plazos de diseño largos
– Solución no demasiado atractiva para diseñadores.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
8
Alternativas de diseño electrónico
• Lógica Programable
– Los dispositivos lógicos programables (PLDs, FPGAs,...) son circuitos
integrados de alta densidad que pueden ser programados para un
propósito específico.
– Es una red de celdas lógicas comunicadas por una red de
interconexión programable
– Herramientas de diseño y programación basadas en el uso del PC
simples de usar y de costo bajo.
– Amplia oferta de circuitos de diferentes prestaciones en cuanto a
densidad de elementos integrados, pines de entrada salida,
velocidad, consumo,...
– Costos de ingeniería de diseño razonables. Buen grado de
confidencialidad.
– Solución muy atractiva para diseñadores: fabricación “en casa”.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
9
Alternativas de diseño electrónico
• Lógica Programable- Otras ventajas
– Alto rendimiento: gran nº de registros, f hasta 100MHz.
– Alta densidad y capacidad.
– Memoria integrada en varios niveles.
– Reprogramables sin necesidad de extraerlos del sistema.
– Algunos dispositivos permiten reconfiguración parcial.
– Ciclos de diseño relativamente cortos y baratos.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
10
Características de las tecnologías:
Full Custom
VLSI Design
Speed,
Density,
Complexity,
Market
Volume
needed for
Product
ASICs
CPLDs
FPGAs
PLDs
Engineering Cost, Time to Develop Product
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
11
Aplicaciones de la Lógica Programable.
• Han sustituido los diseños realizados hace algunos años
mediante CI
• Procesado digital de señal (DSP)
• Aplicaciones de multimedia
• Comunicaciones de alta velocidad
• Sistemas de redes
• Implementación de protocolos de bus
• ...........
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
12
METODOLOGÍA DE DISEÑO.
EVOLUCIÓN.
Evolución paralela a tecnología y alternativas de diseño desarrollo
de herramientas de ayuda software y hardware.
Inicialmente diseño “bottom-up” : desde el más bajo nivel (transistor):
poco eficiente para diseños complejos (miles de componentes)
altos costos de producción: fallos y errores frecuentes.
Evolución a metodologías “top-down” que permiten descripciones al
más alto nivel (independientes de la tecnología):
Posibilita el centrar el diseño a nivel funcional y comportamental
Existencia de herramientas de simulación para disminuir errores en
los productos finales.
Los HDLs adquieren gran importancia.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
13
PROCESO BÁSICO DE DISEÑO
Requisitos y
especificaciones
Altera
Diseño modelo VHDL
Diseño Funcional
Compilación
Modelado
y
Síntesis
Diseño
Arquitectural (RTL)
Diseño Lógico
(puertas)
Diseño Físico
(transistores-layout)
eman ta zabal zazu
Simulación
Fabricación
y Test LDD 2007-08
Análisis de Timing
Configuración del PLD
Programación del PLD
y Test
14
• Estas etapas son función de las distintas
alternativas de diseño.
• Por analogía PROGRAMACIÓN se busca
SÍNTESIS DE ALTO NIVEL
Chip desde una descripción de alto nivel
• Imprescindible los lenguajes HDL-- VHDL
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
15
Síntesis de hardware
descripción funcional
process
begin
for I in 0 to 10 loop
:::
end loop;
end process;
descripción estructural
Síntesis
Proceso de Transformación de una descripción
de un circuito en una descripción
funcional
estructural:
eman ta zabal zazu
–Nivel de Transferencias entre registros.
–Layout (Caso Ideal)
LDD 2007-08
16
LENGUAJES DE DESCRIPCIÓN
HARDWARE (HDLs)
• Es un lenguaje de alto nivel, con una sintaxis y
semántica definidas, para facilitar el modelado
y descripción de circuitos electrónicos, desde
las celdas base hasta sistemas completos.
• Permiten distintos niveles de abstracción,
predicción y estilo.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
17
LENGUAJES DE DESCRPCIÓN
HARDWARE (HDLs)
• Un entorno CAD de diseño utiliza distintos lenguajes y formatos
(en general propios) para describir cada uno de los objetos del
diseño: descripción, simulación y síntesis.
• Inicialmente se utilizaban los netlist: conjunto de instrucciones
que describen interconexiones entre componentes
• Un lenguaje de descripción hardware:HDL unifica las formas de
descripción y permite el intercambio de información entre
diseñadores.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
18
BREVE
HISTORIA
• Años 70:
gran desarrollo de HDLs en entornos:
– industriales no accesibles
– educativos no mantenimiento adecuado.
• Años 80:
necesidad de unificar procesos de descripción:
VERILOG, VHDL.
eman ta zabal zazu
LDD 2007-08
19
El CODISEÑO HARDWARESOFTWARE.
• Estado actual:
– Alta complejiddad de los diseños en prestaciones y densidad.
– Uso generalizado de lenguajes HDLs
– Diseño a nivel de sistema y no tanto a nivel RTL (register transfer
level): esfuerzo en alto nivel, cumplir la funcionalidad del sistema a
diseñar.
• Tendencia actual en el diseño Codiseño:
– Particionar el sistema en parte Hardware y parte Software.
– El particionado ha de verificar unos criterios de optimización:
velocidad, área, coste de producción/diseño,...
– El sistema ha de cumplir las especificaciones funcionales previstas.
eman ta zabal zazu
– El diseño se aleja de las especificaciones de la tecnología de
implementación.
LDD 2007-08
20