ΔΙΑΛΕΞΗ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ* (*The Design-Warrior s Guide to FPGAs)

Transcript

1 ΗΜΥ 408 ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΕ FPGAs Εαρινό Εξάμηνο 2016 ΔΙΑΛΕΞΗ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ* (*The Design-Warrior s Guide to FPGAs) ΧΑΡΗΣ ΘΕΟΧΑΡΙΔΗΣ Επίκουρος Καθηγητής, ΗΜΜΥ (ttheocharides@ucy.ac.cy)

2 ΔΙΟΙΚΗΤΙΚΑ Διδάσκων: Δρ. Χάρης Θεοχαρίδης Γραφείο: Green Park, #110 και Ερευνητικό Κέντρο ΚΙΟΣ Tηλέφωνο: Ώρες Γραφείου (ΚΙΟΣ): Δευτέρα 11:00-13:00 και Πέμπτη 11:00-13:00, ή με ραντεβού Διαλέξεις: Δευτέρα, 13:30 15:00, Αίθουσα 115, ΧΩΔ 02 Εναλλακτική Πρόταση??????? - ΑΚΟΥΩ! Εργαστήριο: TBA Βοηθός Διδασκαλίας (to be confirmed): Αντρέας Γεωργίου URL: <- ΘΑ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΤΕΙ ΣΥΝΤΟΜΑ. ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.2 Theocharides, ECE, 2016

3 Paperless Course Think of the trees! Βιβλία: Michael John Sebastian Smith, Application Specific Integrated Circuits, Addison- Wesley Publishing Company, VLSI Design Series, 1040 pages, ISBN , June FPGA Prototyping By Verilog Examples: Xilinx Spartan-3 Version 1st Edition, by Pong P. Chu There s one with VHDL as well. Advanced FPGA Design: Architecture, Implementation, and Optimization 1st Edition, by Steve Kilts The Design Warrior's Guide to FPGAs, 1st Edition; Devices, Tools and Flows, by Clive Maxfield,ISBN Σημειώσεις: pdf στην ιστοσελίδα μετά τις διαλέξεις ΔΕΝ ΘΑ ΦΕΡΝΩ ΤΥΠΩΜΕΝΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ Η ΟΤΙΔΗΠΟΤΕ ΑΛΛΟ! ΕΙΣΤΕ ΥΠΕΥΘΟΙΝΟΙ ΝΑ ΕΝΗΜΕΡΩΝΕΣΤΕ ΑΠΟ ΤΗΝ ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΑ Η ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΣΑΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ! ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.3 Theocharides, ECE, 2016

4 ΒΑΘΜΟΛΟΓΙΑ Ασκήσεις εργαστηρίου 80% Είναι εργαστηριακό μάθημα... 1 η άσκηση 5 μονάδες 2 η άσκηση 10 μονάδες 3 η άσκηση 15 μονάδες 4 η άσκηση 30 μονάδες (ΟΜΑΔΙΚΗ) 5 η άσκηση 40 μονάδες (ΟΜΑΔΙΚΗ - περιλαμβάνει την τελική παρουσίαση) Στο εργαστήριο θα χωριστείτε σε ομάδες των 2. Η κάθε ομάδα θα πάρει το δικό της board ΑΝΑΜΕΝΕΤΑΙ ΟΜΩΣ ΙΣΗ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ!!! - Η πρώτη, δεύτερη, και τρίτη εργασία θα γίνουν ξεχωριστά. Τελική Εξέταση (εφ όλης της ύλης) 20% Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα είναι: η εξασφάλιση συνολικού βαθμού πέραν του 50% ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.4 Theocharides, ECE, 2016

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Περιεχόμενα Το μάθημα προσφέρει στους φοιτητές όλες τις βασικές γνώσεις για γρήγορη σχεδίαση υπολογιστικών συστημάτων με χρήση FPGA και γλώσσας σχεδιασμού HDL (VHDL or Verilog). Μέσω των διαλέξεων και των εργαστηριακών εργασιών, θα παρασχεθεί στους φοιτητές η απαραίτητη γνώση και πείρα που θα τους βοηθήσει να καταφέρουν τα αποτελέσματα που περιγράφονται στο συμβόλαιο μαθήματος. ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.5 Theocharides, ECE, 2016

6 ΤΙ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΞΕΡΕΤΕ Προαπαιτούμενα: ΗΜΥ 210, 211, 212 και ΗΜΥ 213 και αποδεδειγμένη γνώση σε όλα από τα ακόλουθα: Βασικές Αρχές Προγραμματισμού Υπολογιστών Αριθμητικά Συστήματα Δυαδική Άλγεβρα Συνδυαστικά και Ακολουθιακά Κυκλώματα Οργάνωση και βασικά συνιστώσα ηλεκτρονικών υπολογιστών. ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.6 Theocharides, ECE, 2016

7 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Η τάξη έχει αρκετές απαιτήσεις Είναι Project-Based τάξη, όπου το κύριο φόρτο εργασίας θα είναι στην πραγματοποίηση εργαστηριακών ασκήσεων. Σχεδίαση, Υλοποίηση, Σύνθεση και Εφαρμογή με Χρήση Εργαλείων και Τελευταίας Τεχνολογίας FPGA Πίνακα. Διαλέξεις: 4 βδομάδες εισαγωγή και βασικά στοιχεία FPGA. 4 βδομάδες σχεδίαση και υλοποίηση εφαρμογών σε τελευταίου τύπου FPGAs 4 βδομάδες τρέχοντα και αναδυόμενα θέματα αρχιτεκτονικών FPGA. 1 βδομάδα παρουσιάσεις * ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.7 Theocharides, ECE, 2016

8 Εργαστήριο Το μάθημα αυτό είναι καθαρά μάθημα εργαστηρίου. Το εργαστήριο θα χωριστεί σε πέντε μελέτες. Οι μελέτες θα είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους, αλλά δεν είναι απαραίτητο να τελειώσετε μια μελέτη ώστε να πάρετε την επόμενη. Η κάθε μελέτη θα έχει διάρκεια εκτέλεσης από μία έως τρεις βδομάδες αναλόγως απαιτήσεων. Η κάθε μελέτη στοχεύει στην απόκτηση συγκεκριμένων εμπειριών και επίγνωση αρκετών προβλημάτων που συναντιούνται σήμερα στον κόσμο του σχεδιασμού με FPGAs. Το εργαστήριο διεξάγεται καθόλη την διάρκεια του εξαμήνου! - Το οποίο σημαίνει ότι θα πρέπει να προγραμματιστείτε καλύτερα γιατί δεν είμαι διαθέσιμος 24/7! Αν έχετε απορίες, ΕΛΑΤΕ ΝΑ ΜΕ ΔΕΙΤΕ (ή τον Αντρέα!) ΤΟ ΣΥΝΤΟΜΟΤΕΡΟ. Περισσότερα για το εργαστήριο σε μεταγενέστερο στάδιο ΗΜΥ408 Δ01 Introduction.8 Theocharides, ECE, 2016

9 The FPGA Board we will work 100-pin Hirose FX2 connector Three 6-pin Pmod connectors DB15HD VGA PS/2 keyboard Two DB9 RS-232 connectors RJ-45 Ethernet 16-pin header for optional LCD modules SMA connector for high-speed clock input ECE 408 L1. Introduction.9 Theocharides, 2016

10 Introduction to FPGAs... ECE 408 L1. Introduction.10 Theocharides, 2016

11 ECE 408 L1. Introduction.11 Theocharides, 2016

12 ECE 408 L1. Introduction.12 Theocharides, 2016

13 GENERAL PURPOSE MICRO- PROCESSORS μp Το Φάσμα Υλικού Υπολογιστών GRAPHICS PROCESSING UNIT GPU ASIC (Application- Specific Integrated Circuits ) DSP (Digital Signal Processors) FPGAs (Field- Programmable Gate Arrays) And Programmable Logic Traditional Architecture, Fetch - Decode Execute (typically) Graphics Processors, Optimized for Graphics and Video Processing Full Custom Circuits optimized to perform certain tasks Processors optimized in digital signal processing (audio, video, filters, etc.) Programmable hardware; technology enables user to activate certain configurations to perform logic and arithmetic functions, control and signal transmission ECE 408 L1. Introduction.13 Theocharides, 2016

14 What does FPGA stand for? Field Programmable Gate Array Field : in the field Programmable : Re-Configurable Change Logic Functions Gate Array : reference to ASIC internal architecture ECE 408 L1. Introduction.14 Theocharides, 2016

15 What is an FPGA? Field Programmable Gate Array (Very) Large Scale Integrated Circuit Digital Logic Programmed after manufacture rather than unchangeable Application Specific Integrated Circuit ASIC First appeared in 1980 s. Took off in last decade. Standard IC manufacturing process Following Moore s Law ECE 408 L1. Introduction.15 Theocharides, 2016

16 Why do we care? Essential Components in modern Computing Systems Data Acquisition (Millions Channels) Flexible/ Domain-Specific Computing! RECONFIGURABLE! ECE 408 L1. Introduction.16 Theocharides, 2016

17 What is an FPGA? Field Programmable Gate Array Configurable (Programmable) General Logic Blocks + Configurable Interconnects + Special Purpose Blocks (Embedded Processors) Configured (multiple times) to perform variety of tasks Programmable interconnect Programmable logic blocks Simple Logic Block Islands in a Sea of Interconnects 10, ,000+ (Massively Parallel Processing!) ECE 408 L1. Introduction.17 Theocharides, 2016

18 Little bit of History FPGAs appeared in the 1980 s. Took off in last decade really. Bridge gap between simple Programmable Logic and semi custom ASICs (Application Specific Integration Circuits). PLDs ASICs SPLDs CPLDs The GAP Gate Arrays Structured ASICs* Standard Cell Full Custom *Not available circa early 1980s ECE 408 L1. Introduction.18 Theocharides, 2016

19 l l l Previous Generations Logic Devices Simple Logic (used to glue other ICs together) Reprogrammable (UV light, electrically eraseable) Cheap Easy to Program Many different variations Eg. Implement Logic as Sum of Products Terms SPLDs PLDs CPLDs a b c a!a b!b c!c & & & a & b & c a & c!b &!c Predefined link Programmable link Programmable OR array PROMs PLAs PALs GALs etc. Predefined AND array w = (a & c) (!b &!c) x = (a & b & c) (!b &!c) y = (a & b & c) w x y ECE 408 L1. Introduction.19 Theocharides, 2016

20 ASICs Large Complex Functions Customised for Extremes of Speed, Low Power, Radiation Hard (and many more customizations) (Very) Expensive (in small quantities) (Very) Hard to Design. Long Design cycles. Not Reprogrammable. High Risk Semi Custom Gate Arrays. Basic cells I/O cells/pads Channels (a) Single-column arrays (b) Dual-column arrays ASICs Gate Arrays Structured ASICs Standard Cell Full Custom Increasing complexity ECE 408 L1. Introduction.20 Theocharides, 2016

21 FPGAs best of both worlds Large Complex Functions Programmability, Flexibility. PLDs SPLDs CPLDs The GAP ASICs Gate Arrays Structured ASICs* Massively Parallel Architecture Standard Cell Full Custom Fast Turnaround Designs *Not available circa early 1980s Mass produced. Cheap! Can Prototype ASICs Used to be Power Hungry Programmable interconnect Programmable logic blocks ECE 408 L1. Introduction.21 Theocharides, 2016

22 The world of digital integrated circuits Integrated Circuits Full-Custom ASICs Semi-Custom ASICs User Programmable PLD FPGA PAL PLA PML LUT (Look-Up Table) MUX Gates ECE 408 L1. Introduction.22 Theocharides, 2016

23 Non-Conventional Implementation Methods ASIC Application Specific Integrated Circuit designs must be sent for expensive and time consuming fabrication in semiconductor foundry designed all the way from behavioral description to physical layout FPGA Field Programmable Gate Array bought off the shelf and reconfigured by designers themselves no physical layout design; design ends with a bitstream used to configure a device ECE 408 L1. Introduction.23 Theocharides, 2016

24 What makes up an FPGA? Configurable Logic Blocks Block RAMs Block RAMs I/O Blocks Block RAMs ECE 408 L1. Introduction.24 Theocharides, 2016

25 What characterizes Reconfigurable Computing? Parallelism, specialization, hardware-level adaptation Parallelism customized to meet design objectives Logic specialized to perform specific function Functionality changed as problem requirements change ECE 408 L1. Introduction.25 Theocharides, 2016

26 Microprocessor-based Systems (Temporal) Data Storage (Register File) A B C ALU 64 Generalized to perform many functions well. Operates on fixed data sizes. Inherently sequential - Constrained even with multiple data paths. ECE 408 L1. Introduction.26 Theocharides, 2016

27 Reconfigurable Computing if (A > B) { H = A; L = B; } else { H = B; L = A; } A Functional Unit H B L Create specialized hardware for each application. Functional units optimized to perform a special task. ECE 408 L1. Introduction.27 Theocharides, 2016

28 Example: Bubblesort Problem (Spatial) A B A B H L H L A B A B H L H L A H B L Smallest Largest Adapt interconnect to problem. Take advantage of parallelism. ECE 408 L1. Introduction.28 Theocharides, 2016

29 Implementation Spectrum Microprocessor Reconfigurable Hardware ASIC ASIC gives high performance at cost of inflexibility. Processor is very flexible but not tuned to the application. Reconfigurable hardware is a nice compromise. ECE 408 L1. Introduction.29 Theocharides, 2016

30 Reconfigurable Hardware A B C D Look-up table (LUT) Out A B C D = out Each LUT operates on four one-bit inputs. Output is one data bit. Can perform any boolean function of four inputs = 64K functions (4096 patterns) ECE 408 L1. Introduction.30 Theocharides, 2016

31 Translating a Design to an FPGA C program Circuit Array.. C = A+B. A B + C CAD to translate circuit from text description to physical implementation well understood. CAD to translate from C program to circuit not well understood. Very difficult for application designers to successfully write highperformance applications Need for design automation! ECE 408 L1. Introduction.31 Theocharides, 2016

32 High-level Compilers Difficult to estimate hardware resources. Some parts of program more appropriate for processor (hardware/software codesign). Compiler must parallelize computation across many resources. Engineers like to write in C rather than pushing little blocks around. C = A+B A + C B for (i = 0; i<n, i++) {.. } ECE 408 L1. Introduction.32 Theocharides, 2016

33 Circuit Compilation 1. Technology Mapping LUT 2. Placement LUT Assign a logical LUT to a physical location.? 3. Routing Select wire segments And switches for Interconnection. ECE 408 L1. Introduction.33 Theocharides, 2016

34 Two Bit Adder Made of Full Adders A B C o FA C i A+B = D S Logic synthesis tool reduces circuit to SOP form S = ABC i + ABC i + ABC i + ABC i A B C i LUT C o A B C i LUT S C o = ABC i + ABC i + ABC i + ABC i ECE 408 L1. Introduction.34 Theocharides, 2016

35 Processor + FPGA Three possibilities daughtercard Proc FPGA chip Backplane bus (e.g. PCI) 1. FPGA serves as coprocessor for data intensive applications possible project. Proc FPGA chip 2. FPGA serves as embedded computer for low latency transfer. Reconfigurable Functional Unit ECE 408 L1. Introduction.35 Theocharides, 2016

36 Processor + FPGA (cont..) 3. Processor integration Processor RF ALU FPGA FPGA logic embedded inside processor. A number of problems with 2 and 3. - Process technology an issue. - ALU much faster than FPGA generally. - FPGA much faster than the entire processor. ECE 408 L1. Introduction.36 Theocharides, 2016

37 Multi-FPGA Systems F F F F F F F F F Most applications don t fit on one device. Create need for partitioning designs across many devices. Effectively a netlist computer Each FPGA is a logic processor interconnected in a given topology. ECE 408 L1. Introduction.37 Theocharides, 2016

38 Dynamic Reconfiguration L L L L What if I want to exchange part of the design in the device with another piece? Need to create architectures and software to incrementally change designs. Effectively a configuration cache Examples: encryption, filtering. ECE 408 L1. Introduction.38 Theocharides, 2016

39 Logic Element Inputs Look-Up Table (LUT) Out Clock State Enable ECE 408 L1. Introduction.39 Theocharides, 2016

40 Field-Programmable Gate Array Logic Element Tracks LE LE LE LE LE LE LE LE LE LE LE LE Each logic element outputs one data bit. Interconnect programmable between elements. Interconnect tracks grouped into channels. ECE 408 L1. Introduction.40 Theocharides, 2016

41 FPGA Architecture Issues Logic Element Need to explore architectural issues. How much functionality should go in a logic element? How many routing tracks per channel? Switch population? ECE 408 L1. Introduction.41 Theocharides, 2016

42 Real World Physical Issues S S Wires have real cost Modelling FPGA delay. Improving performance through buffering/segmentation. Technology dependent. The cost of reconfigurability. ECE 408 L1. Introduction.42 Theocharides, 2016

43 Which Way to Go? ASICs High performance Low power Low cost in high volumes FPGAs Off-the-shelf Low development cost Short time to market Reconfigurability ECE 408 L1. Introduction.43 Theocharides, 2016

44 FPGA Advantages Manufacturing cycle for ASIC is very costly, lengthy and engages lots of manpower Mistakes not detected at design time have large impact on development time and cost FPGAs are perfect for rapid prototyping of digital circuits Easy upgrades like in case of software Unique applications reconfigurable computing ECE 408 L1. Introduction.44 Theocharides, 2016

45 So...what can we do with FPGAs? ECE 408 L1. Introduction.45 Theocharides, 2016