Συστήματα VLSI. Εισαγωγή. Γιώργος Δημητρακόπουλος. Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης. Άνοιξη 2014

Transcript

1 Συστήματα VLSI Εισαγωγή Γιώργος Δημητρακόπουλος Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης Άνοιξη 2014 Συστήματα VLSI 1

2 Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα από «μέσα» Συστήματα VLSI 2

3 Τα εργαλεία της σχεδίασης Algorithms-Applications Operating System Instruction Set Architecture Microarchitecture Register-transfer-level Logic design Circuits Devices-Technology Κάθε ψηφιακό κύκλωμα σχεδιάζεται με 4 βασικά δομικά στοιχεία Λογικές πύλες για τους υπολογισμούς (λογικές πράξεις) Flip-flops για την αποθήκευση της κατάστασης των υπολογισμών Μνήμες για την αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων με δομημένο τρόπο Καλώδια για να συνδέσουμε τα παραπάνω στοιχεία Ολα αυτά υλοποιούνται εντός του ολοκληρωμένου κυκλωμάτος χρησιμποιώντας τρανζίστορ και καλώδια Συστήματα VLSI 3

4 Μικροφωτογραφίες από τρανζίστορ και καλώδια Καλώδια σε επίπεδα Τρανζίστορ Τα τρανζίστορ βρίσκονται στον «πάτο» του ολοκληρωμένου Πολλά επίπεδα καλωδίωσης (μέταλλα) συνδέουν τα τρανζίστορ μεταξύ τους Οι επαφές (contact/via) συνδέουν τρανζίστορ και καλώδια που ανήκουν σε διαφορετικά επίπεδα Συστήματα VLSI 4

5 Πως υλοποιούνται τελικά οι σχεδιασμοί μας; Κάθε ολοκληρωμένο κύκλωμα προσπαθεί να υλοποίησει έναν αλγόριθμο Μπορεί να πρόκειται και για ένα σύνθετο σύστημα Ποια είναι τα βήματα που ακολουθούμε στην πράξη και πως βοηθά το μάθημα; Η ροή σχεδίασης συνήθως τηρείται ευλαβεικά αλλιώς η πολυπλοκότητα θα καταστρέψει το τελικό αποτέλεσμα Συστήματα VLSI 5

6 Μικρο-αρχιτεκτονική Σχεδίαση μικρο-αρχιτεκτονικής Επιλογή των βασικών μπλοκ του συστήματος Ιεραρχία και επικοινωνία μεταξύ των μονάδων Χοντρική εκτίμηση εμβαδού, επιδόσεων Περιγραφή μοντέλου λειτουργίας Γλώσσες περιγραφής υλικού Προσωμοίωση (simulation) του σχεδιασμού Συστήματα VLSI 6

7 Περιγραφή μικρο-αρχιτεκτονικής με γλώσσες περιγραφής υλικού Συστήματα VLSI 7

8 Προσωμοίωση λειτουργίας Συστήματα VLSI 8

9 Λογική σύνθεση Μετατροπή του μοντέλου σε γλώσσα περιγραφής υλικού σε κύκλωμα λογικών πυλών και flip-flops Βελτιστοποίηση των επιδόσεων Συστήματα VLSI 9

10 Φυσική δομή ολοκληρωμένου κυκλώματος Συστήματα VLSI 10

11 Χωροθέτηση και διασύνδεση του κυκλώματος Τα κυκλώματα λογικής (πύλες και flip-flops) μετασχηματίζονται σε φυσικό σχέδιο (layout) Φυσικό σχέδιο: Η γεωμετρία κάθε μάσκας κατασκευής του ολοκληρωμένου κυκλώματος Αυτοματοποιημένη τοποθέτηση στο χώρο και διασύνδεση με τα καλώδια Η ανθρώπινη παρέμβαση βοηθά στον κατάλληλο περιορισμό των αυτόματων εργαλείων Πλήρως ελεύθερη σχεδίαση από τον άνθρωπο (τρανζίστορ προς τρανζίστορ) γίνεται μόνο για εξαιρετικές επιδόσεις, στις μνήμες και στα αναλογικά κυκλώματα Συστήματα VLSI 11

12 Η ροή σχεδίασης Συστήματα VLSI 12

13 Circuit design in fpgas We replace the last part of the flow with FPGA development boards Συστήματα VLSI 13

14 Διαδικαστικά μαθήματος Όλες οι πληροφορίες που αφορούν στο μάθημα θα αναρτώνται στο site του μαθήματος στο eclass και μόνο εκεί Το μάθημα περιλαμβάνει: Διαλέξεις Εργαστηριακές ασκήσεις (6 κάθε 2 εβδομάδες) και εβδομαδιαίες ασκήσεις για το σπίτι (40% τελικού βαθμού) Πρόοδο (20% τελικού βαθμού) Τελική εξέταση (40% τελικού βαθμού) Επικοινωνία με το διδάσκοντα: Το γραφείο μού είναι στο κτήριο Β το 1.11 (1 ος όροφος) Ώρες γραφείου Κάθε Τετάρτη 09:00-11:00 Ηλεκτρονική διεύθυνση: dimitrak@ee.duth.gr Συστήματα VLSI 14

15 Βιβλιογραφία Digital Design An embedded systems approach with VHDL, Peter Ashenden CMOS VLSI Design: A Circuits & Systems Perspective, Neil Weste, David Harris Συστήματα VLSI 15

16 High-level computation model Συστήματα VLSI 16

17 Register-transfer level design Συστήματα VLSI 17

18 RTL language Συστήματα VLSI 18

19 Συστήματα VLSI 19

20 Example Συστήματα VLSI 20

21 Running example Acc and Sum should swap values Συστήματα VLSI 21

22 Running example Compute z=4*x+2*y Acc=x, Sum=Z αποθήκευσε το τελικό αποτέλεσμα z στον καταχωρητή Sum Συστήματα VLSI 22

23 Controller and Datapath: Example 1 Algorithm Συστήματα VLSI 23

24 Complete example 2: Datapath + Controller FSM Συστήματα VLSI 24