Inhoud Analyse van sequentiële netwerken Sequentiële bouwblokken het gedrag van teruggekoppelde poortnetwerken races en hazards synchroon versus asynchroon gedrag, geheugencellen Sequentiële bouwblokken Synthese van sequentiële netwerken incrementele gedragsbeschrijvingen toestandsminimalisatie Toestandsassignatie Aspecten van compositie en decompositie Verfijning en decompositie Spatiale versus temporale decomposities Composities van synchrone automaten Digitale elektronica

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

Standaardcomponenten: sequentiële functies SSI flip-flops: diverse klok- en datagedragingen MSI registers tellers schuifregisters LSI registerbanken processor-bouwblokken VLSI processors geheugens specifieke chips voor consumentenmarkt Digitale elektronica

Flip-flops Definitie van het tijdsgedrag ts th Flanksturing Niveausturing ts th ts th tp O-interval I-interval Pulssturing tp Digitale elektronica

Flip-flops Definitie van het datagedrag D-gedrag R/S-gedrag J/K-gedrag T-gedrag Digitale elektronica

Flip-Flops een overzicht Voorbeelden van pdf-bestanden 74HC74 74F109 7476 7475 7473 74279 Digitale elektronica

De essentie van synchroon gedrag In Out ts th tp Flanksturing Combinatorische logica Registers Klok Klok Flip-flop propagatie Combinatorisch propagatie Flip-flop instel Digitale elektronica

Regels voor synchroon ontwerp Inputsignalen moeten stabiel zijn gedurende I-interval Gebruik alleen geheugenelementen met disjuncte I- en O-intervallen Gebruik alleen geheugenelementen met zelfde klokgedrag Zorg ervoor dat de klokverschuiving beperkt is tot separatie tussen I en O Zorg ervoor dat de klok een voldoende periode heeft Stuur inputs op het correct ogenblik aan Digitale elektronica

Regels voor synchroon ontwerp metastabiliteit Veranderingen van input binnen I-interval Meestal “normaal” gedrag van FF: resultaat is onvoorspelbaar, maar wel ofwel 0 ofwel 1 Soms “geen” resultaat: finale waarde wordt ongewoon laat bereikt. Intussen geen betrouwbare waarde: niet finaal eventueel halfslachtig niveau mogelijk zelfs dynamische hazards Digitale elektronica

Regels voor synchroon ontwerp metastabiliteit kloksignaal 30 ns 14 ns inputsignaal outputsignaal Digitale elektronica

Metastabiel gedrag Breuninger’s grafiek Digitale elektronica

Geheugens en processors Er bestaan een aantal generieke functies die het gebruik van hoge integratiedichtheden mogelijk maken Voorwaarde: universele inzetbaarheid Twee belangrijke voorbeelden: geheugens processors (+ randchips) Digitale elektronica

Geheugens kenparameters Interne opbouw statisch (SRAM) dynamisch (DRAM) Structurele aspecten Woordbreedte Capaciteit Functionele aspecten toegangstijd en -bandbreedte parallellisme in toegang asynchrone of synchrone toegang Digitale elektronica

Geheugens interne opbouw: statische geheugens Geheugenwerking gebaseerd op terugkoppeling Cel = elementaire flipflop lage toegangstijd grote basiscel CMOS: 6 transistors NMOS: 4 transistors, dissipatie X/Y-adressering Kan in alle technologieën Digitale elektronica

Geheugens interne opbouw: dynamische geheugens Geheugenwerking gebaseerd op ladingsopslag op capaciteit (1 transistor) Lezen dynamisch proces, destructief Digitale elektronica

Geheugens interne opbouw: dynamische geheugens Digitale elektronica

Geheugens functionele aspecten Parallellisme Toegang tot grote RAMs sequentieel: woord per woord Kleine statische RAMS (registerbestanden) en speciale geheugens (DPMs, FIFOs) parallel Toegangsprotocollen Vroeger hoofdzakelijk asynchroon Voor SRAM: relatief eenvoudig Voor DRAM: sequentieel opfriscycli snelle blokmodes Synchrone protocollen nemen snel toe Voorbeelden van pdf-bestanden SRAM SSRAM EDO-RAM SDRAM Digitale elektronica

Processors Processors worden als bouwblok in grote variëteit gemaakt: voor algemeen gebruik (zie computerarchitectuur) voor specifieke toepassingen: DSP, Grafiek, Communicatie als component voor realisatie van complexe functies: microcontrollers Processors worden ook in toenemende mate als module gebruikt in ASIC-ontwerp of ontwerp met FPGAs Digitale elektronica

Processors microcontrollers Een microcontroller is een sterk geïntegreerde vorm van processor Bevat naast processorkern ook geheugen (beperkt) perifere schakelingen Wordt vaak in verschillende varianten gemaakt qua beschikbaar geheugen, snelheid, en soort van meegeïntegreerde functies Gebruik: in ingebedde systemen, waar complexiteit hogere eisen stelt dan snelheid: printers, toetsenborden, ... Automobiel, wasmachines, T.V.’s, .. PLC’s, regelaars, procesautomatisatie Digitale elektronica

Processors microcontrollers: voorbeeld Digitale elektronica

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

Programmeerbare componenten PLA-achtigen: sequencers De PLS: PLS: PLA met toestandsregister Digitale elektronica

Programmeerbare componenten architecturen: PLA-achtigen (2) De PAL en de PLD: macrocellen met flipflops Voorbeelden van pdf-bestanden MACH pld Cypress pld 22v10 Digitale elektronica

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

Programmeerbare componenten Moderne evoluties in FPGA’s Moderne FPGA’s bevatten veel meer dan CLB’s en routing blocks: Sommige bevatten grote geheugenblokken, en laten toe van CLB’s te groeperen tot geheugenblokken Sommige bevatten R/T uitbreidingen om snelle ALU’s te maken (carry chains) Sommige bevatten standaard microprocessor naast programmeerbare array Sommige bevatten speciale I/O-interfaces: Naar extern geheugen (DDR-ram) LVDS en andere snelle verbindingen Digitale elektronica

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