De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Digitale elektronica --1-- Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie –De ontwerpruimte ** –Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** –Definities.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Digitale elektronica --1-- Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie –De ontwerpruimte ** –Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** –Definities."— Transcript van de presentatie:

1 Digitale elektronica Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie –De ontwerpruimte ** –Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** –Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies –Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen –Poortnetwerken versus taknetwerken ** –Analyse van taknetwerken ** –Standaardcomponenten –Programmeerbare componenten –ASIC-bouwstenen Synthese van poortnetwerken ** –Algebraïsche minimalisatie –Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme –Topologische en heuristische methoden –Meerniveausynthese

2 Digitale elektronica Soorten schakelnetwerken Men kan op diverse manieren systemen met een aan/af-gedrag bouwen: Mechanisch –pallen, vergrendelingen,... (slotmechanismen) –fluidics Optisch –aan/afwezigheid van licht, polarisatie, kleur... –refractieve en/of diffractieve elementen Elektrisch –taknetwerken met schakelaars –poortnetwerken...

3 Digitale elektronica Taknetwerken basisbouwblokken Zijn netwerken van schakelaars Schakelaar = primitieve bouwsteen: –element met twee klemmen en controlevariabele –controlevariabele heeft binaire interpretatie –schakelaar realiseert functie – definitiedomein en beelddomein zijn verschillend XX’ NO-typeNC-type

4 Digitale elektronica Taknetwerken opbouw van serie-parallelnetwerken SP n Wij beschouwen netwerken opgebouwd door serie- of parallelschakeling van twee deelnetwerken: model voor + en uit F n Generatieregels van SP n vergelijkbaar met deze van V n : X X’ A A B B A B

5 Digitale elektronica Taknetwerken opbouw Conclusies: SP n is minder rijk dan V n SP n is minder rijk dan T n Nochtans: alle elementen van SP n komen overeen met BV en stellen dus functies voor alle elementen van T n (alle taknetwerken) realiseren functies, hoewel zij niet alle overeenkomen met een BV alle DSV-vormen komen overeen met een element uit SP n, en dus kunnen alle functies gerealiseerd worden

6 Digitale elektronica Poortnetwerken basisbouwblokken Poorten modelleren elementaire operaties uit B 1 Argumenten en functiewaarden nu wel in zelfde verzameling Verbinden van poortuitgangen met poortingangen gemodelleerd door functiesamenstelling

7 Digitale elektronica Poortnetwerken compositieregels Alle compositieregels uit V n ook aanwezig in P n ‘0’‘1’ XX’ A A A B A B A B

8 Digitale elektronica Poortnetwerken conclusies Elke Boolese vorm wordt voorgesteld door een poortnetwerk uit P n en vice versa Alle poortnetwerken uit P n stellen functies voor Alle Boolese functies kunnen worden gerealiseerd m.b.v. poortnetwerken Er zijn poortnetwerken die functies realiseren maar niet behoren tot P n (netwerken met fan- out) -- corresponderen met stelsels BV’n Er zijn poortnetwerken die geen functies realiseren

9 Digitale elektronica Systematische analyse van taknetwerken Gebaseerd op matrixvermenigvuldiging in Boole- domein Beschouwde matrices: Boolese Matrices elementen zijn Boolese vormen Diagonaal altijd 1 Connectiematrix van taknetwerk is Boolese Matrix

10 Digitale elektronica Systematische analyse van taknetwerken Product van connectiematrix over B enumereert paden van lengte 2, 3,... Padlengte beperkt (geen knopen herbezoeken) Product convergeert naar limietwaarde naar eindige tijd Resultaat is transmissiematrix

11 Digitale elektronica Systematische analyse

12 Digitale elektronica Digitale bouwstenen standaardcomponenten Digitale bouwstenen Standaard- componenten Programmeerbare componenten Applicatie-specifieke bouwstenen Seq.Comb.PLA- achtigen Cell- arrays Gate Arrays Standard Cell Full Custom SSI MSI LSI PLA PAL PLS EPLD VLSI FPGA

13 Digitale elektronica Standaardcomponenten Standaardcomponenten zijn afgewerkte componenten met vaste functionaliteit, bepaald door fabrikant Meestal verpakt in standaard behuizing Classificatie gebaseerd op: Sequentieel vs. Combinatorisch Complexiteit: –SSI (< 12 poort-equivalent per chip) –MSI ( poort-equivalent per chip) –LSI (> 100 poort-equivalent per chip) –VLSI, ULSI, XLSI,...

14 Digitale elektronica Standaardcomponenten Standaardcomponenten zijn gedurende lange tijd (tussen ca en 1985) belangrijkste bouwblokken geweest voor digitale systemen Komen voor in uitgebreide assortimenten in de belangrijkste technologieën (TTL, ECL, CMOS, BiCMOS) Functionele terminologie wordt ook gebruikt in andere families (programmeerbare en ASIC)

15 Digitale elektronica Standaardcomponenten: technologische evolutie Technologische levenscyclus van producten van Texas Instruments IntroductieGroeiMaturiteitAfnameVeroudering ALVC LV LVT ABT AC HC AS ALS F S TTL BCT LS FCT CD4000 AHC Bipolar CMOS BiCMOS TI - producten andere LVC ALB

16 Digitale elektronica Standaardcomponenten: verpakkingen (Texas Instruments)

17 Digitale elektronica Standaardcomponenten: verpakkingen

18 Digitale elektronica Standaardcomponenten Voordelen in gebruik: welgedefinieerd, en uitgebreid assortiment van betrouwbare en gestandaardiseerde bouwblokken extensief hergebruik van vroegere ontwerpen (re- use, nu aan de orde in software en ASICs) goede beschikbaarheid (grote oplagen, meerdere producenten) goede toegankelijkheid (testen) van circuits geringe kapitaalinvestering van eindgebruiker (ontwerper), korte ontwerpcyclus

19 Digitale elektronica Standaardcomponenten Nadelen in gebruik: functionele schaarste in hogere integratiedichtheden aantal mogelijke functies stijgt als O(2 (2 n ) ) assortiment te beperkt om complexiteit af te dekken wanneer n stijgt realisaties vereisen algemeen veel glue logic => hogere componentaantallen –grotere oppervlakte –meer vermogendissipatie (C groter) –lagere prestaties (RC groter) –lagere betrouwbaarheid (meer verbindingen)

20 Digitale elektronica Standaardcomponenten: glue logic

21 Digitale elektronica Standaardcomponenten: glue logic

22 Digitale elektronica Standaardcomponenten

23 Digitale elektronica Standaardcomponenten

24 Digitale elektronica Standaardcomponenten: combinatorische functies SSI busproducten (drivers, transceivers, …) interface-producten (niveau-omvormers, display-drivers, …) assortiment poorten –bijna volledige functiebedekking: inv, and, or, nand, nor, xor, xnor, and-or-inv –2-8 inputs MSI multiplexers, demultiplexers aritmetische bouwblokken (+, x, carry- circuits) code-convertors: 7-segment, pariteit, Voorbeelden van pdf-bestanden 7400 Voorbeelden van pdf-bestanden 7400 Voorbeelden van pdf-bestanden Voorbeelden van pdf-bestanden

25 Digitale elektronica Standaardcomponenten interconnectieproblematiek Verbindingen voor ‘trage’ signalen worden met enkelvoudige geleiders gemaakt (baantje + aardvlak) Bussen worden gemaakt met open-collector of open- draincomponenten,ofwel met afschakelbare uitgangen

26 Digitale elektronica Standaardcomponenten interconnectieproblematiek Voor snelle interconnecties maakt men gebruik van differentiële interconnectie via transmissielijnen Twee baantjes met Z 0 =50W naar aardvlak Voorbeeld: LVDS

27 Digitale elektronica Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie –De ontwerpruimte ** –Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** –Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies –Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen –Poortnetwerken versus taknetwerken ** –Analyse van taknetwerken ** –Standaardcomponenten –Programmeerbare componenten –ASIC-bouwstenen Synthese van poortnetwerken ** –Algebraïsche minimalisatie –Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme –Topologische en heuristische methoden –Meerniveausynthese

28 Digitale elektronica Digitale bouwstenen programmeerbare componenten Digitale bouwstenen Standaard- componenten Programmeerbare componenten Applicatie-specifieke bouwstenen Seq. Comb.PLA- achtigen Cell- arrays Gate Arrays Standard Cell Full Custom SS I MS I LS I PLA PAL PLS EPLD VLS I FPGA

29 Digitale elektronica Programmeerbare componenten Zijn generieke componenten waarbij de eindgebruiker de uiteindelijke functionaliteit definieert Doel: combineren van massaproductie en hoge integratiedichtheid zonder specialisering Voordelen: –laag chipaantal –korte implementatiecyclus –‘gemakkelijke’ adapteerbaarheid van afgewerkt produkt Nadelen: –dure componenten –relatief traag

30 Digitale elektronica Programmeerbare componenten technologieën Er zijn diverse technieken om het gedrag van een afgewerkte component te wijzigen Belangrijke parameters: reversibiliteit en volatiliteit RVTechnologie nnSmeltverbindingen: effectief doorsmelten van overtallige verbindigen nnAntifuses: laten doorslaan van isolator jnMOS met vlottende gate: FAMOS (lawinedoorslag en hot-electron- injectie + UV-wissen) EEAMOS (Fowler-Nordheim-tunneling) jjRAM-cellen RVTechnologie nnSmeltverbindingen: effectief doorsmelten van overtallige verbindigen nnAntifuses: laten doorslaan van isolator jnMOS met vlottende gate: FAMOS (lawinedoorslag en hot-electron- injectie + UV-wissen) EEAMOS (Fowler-Nordheim-tunneling) jjRAM-cellen Voorbeelden van pdf-bestanden EEAMOS Voorbeelden van pdf-bestanden EEAMOS

31 Digitale elektronica Programmeerbare componenten technologieën UV-wisbare component met kwartsvenster Elektrisch wisbare component

32 Digitale elektronica Programmeerbare componenten prorgammeerapparaten

33 Digitale elektronica Programmeerbare componenten architecturen: PLA-achtigen (1) De PLA en de PLS: oerarchitecturen afzonderlijk programmeerbare EN- en OF-matrix Twee-niveaurealisatie Beperking in produkttermen PLS: toestandsregister Specialisaties: beperk programmeerbaarheid geen OF-matrix PAL geen EN-matrix: ROM

34 Digitale elektronica Programmeerbare componenten architecturen: PLA-achtigen (2) De PAL en de PLD: de moderne werkpaarden karakteristiek is de grote EN- matrix veel varianten op de OF-matrix Voorbeelden van pdf-bestanden MACH pld Cypress pld 22v10 Voorbeelden van pdf-bestanden MACH pld Cypress pld 22v10

35 Digitale elektronica Programmeerbare componenten architecturen: Cell-arrays (1)

36 Digitale elektronica Programmeerbare componenten architecturen: Cell-arrays (2) Cell-arrays worden gewoonlijk FPGA’s genoemd (het zijn echter geen gate arrays!) Ontwerp van combinatorische functies meerlaags wegens te beperkte fan-in Programmeerbare interconnectie kan trager zijn dan de functionele bouwblokken: plaatsing en routering van zeer groot belang FPGAs worden zeer veel gebruikt: –voor kleine series –als configureerbare simulatie-accelerator –als configureerbare coprocessor (nu ook on-chip)

37 Digitale elektronica Programmeerbare componenten architecturen: interconnecties

38 Digitale elektronica Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie –De ontwerpruimte ** –Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** –Definities en eigenschappen van Boole-algebra en functies –Representaties van Boolese functies Schakelnetwerken en hun bouwstenen –Poortnetwerken versus taknetwerken ** –Analyse van taknetwerken ** –Standaardcomponenten –Programmeerbare componenten –ASIC-bouwstenen Synthese van poortnetwerken ** –Algebraïsche minimalisatie –Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme –Topologische en heuristische methoden –Meerniveausynthese

39 Digitale elektronica Digitale bouwstenen A SIC’s Digitale bouwstenen Standaard- componenten Programmeerbare componenten Applicatie-specifieke bouwstenen Seq.Comb.PLA- achtigen Cell- arrays Gate Arrays Standard Cell Full Custom SSI MSI LSI PLA PAL PLS EPLD VLSI FPGA

40 Digitale elektronica Gate arrays Geprefabriceerde wafers met actieve componenten erop (b.v. NAND-poorten) Ontwerp = afbeelding van circuit op poortcircuit (via bibliotheekcomponenten) Interconnectie door metallisatie (4-6 lagen) Voorbeelden van pdf- bestanden GateArray.pdf Voorbeelden van pdf- bestanden GateArray.pdf

41 Digitale elektronica Standard Cells Ontwerper beschikt over bibliotheek van elementaire bouwblokken (SSI- functionaliteit) Manuele of automatische synthese van probleem naar logische structuur in deze bouwblokken Fysische layout van bouwblokken heeft dezelfde hoogte. Worden in rijen geplaatst Aansluitingen boven en onder. Interconnectie via kanaalroutering Fysische plaatsing en interconnectie kan verregaand geautomatiseerd worden -- resultaten echter niet zo goed als full-custom: –layout is ijler –circuit is trager (wegens langere bedrading)

42 Digitale elektronica Standard Cells

43 Digitale elektronica Standard Cells en Modules (1)

44 Digitale elektronica Standard Cells en Modules (2)

45 Digitale elektronica Full Custom (1) Full-Custom ontwerp impliceert ontwerp tot op circuitniveau Ontwerper is verantwoordelijk voor het ontwerp van de fysische structuur van alle basiscellen: –Keuze van W en L van transistors, –ligging, breedte en separatie van interconnectie, … –Aard van de I/O-pinnen

46 Digitale elektronica Full Custom (2) Full-Custom ontwerp moet ondersteund worden met krachtige verificatietools: DRC: Design Rule Check -- verificatie van regels voor afmetingen, overlapping, separatie, … LVC: Layout versus schematic -- extractie van equivalent schema uit layout, voor verificatie met door ontwerper getekend schema, en extractie van parameters voor tijdsgetrouwe simulatie


Download ppt "Digitale elektronica --1-- Inhoud De ontwerpruimte en haar terminologie –De ontwerpruimte ** –Het ontwerptraject Boole-algebra en functies ** –Definities."

Verwante presentaties


Ads door Google