DIGITALNE STRUKTURE Zapiski predavanj

DIGITALNE STRUKTURE Zapiski predavanj Branko Šter, Ljubo Pipan Koraki pri načrtovanju vezij na osnovi VHDL (in drugih HDL jezikov): bločni diagrami / hierarhija kodiranje v VHDL prevajanje kode, preverjanje pravilnosti sintakse simulacija: funkcionalna verifikacija (brez zakasnitev) sinteza - VHDL opis mapira v ciljno tehnologijo (npr. PLD, FPGA, ASIC) razmestitev in povezovanje (placement / routing) simulacija: časovna verifikacija (z zakasnitvami) 5 Kanonske logične ureditve Bralni pomnilniki Bralni pomnilnik (ROM) običajno obravnavamo kot kombinacijsko vezje. ROM celici navadno ne rečemo pomnilna celica, ker ni registrskega tipa, tj. med delovanjem vanjo ne moremo vpisovati. Bralni pomnilnik realizira funkcijski mnogopol (FM): 1

DIGITALNE STRUKTURE 2 FM je n poljubnih funkcij m spremenljivk (v PDNO obliki) Naslovni vhodi ROMa pripadajo neodvisnim spremenljivkam, izhodi pa želenim funkcijam. m... dolžina naslova, 2 m... število pomnilniških lokacij n... velikost pomnilniške lokacije v bitih Pri programabilnih logičnih vezjih PLD se običajno uporablja pri risanju shem poseben, bolj zgoščen zapis: Povezave, ki so na sliki označene s križci, označujejo varovalke. Tak zapis bomo uporabili tudi tukaj. Npr. PROM 4*2 lahko realizira dve funkciji dveh spremenljivk:

DIGITALNE STRUKTURE 3 Struktura na levi predstavlja dekodirnik. Križec je vezni element, ki je programabilen. Pomnilniškim naslovom, ki ustrezajo mintermom nad m spremenljivkami, ustreza IN-matrika. Vsebina pomnilniških lokacij pa predstavlja zapis funkcije, kakor v pravilnostni tabeli. IN-matrika je fiksna; naslovov seveda ne moremo programirati, ALI-matrika pa je programabilna; vsebino lahko vpišemo (vsaj enkrat). V splošnem lahko bralni pomnilnik shematsko predstavimo takole:

DIGITALNE STRUKTURE 4 Vezni element (VE) ALI matrike je lahko dioda, bipolarni ali MOS transistor. VE mora prevajati samo v eno smer. Dodana mu je lahko: - serijsko vezana varovalka, ki jo ob programiranju raztalimo, ali pa - v primeru MOS transistorja posebna topologija, vezana na gate elektrodo. Dioda (včasih): varovalka pri diodi pomeni 1. B-linije so na nizki napetosti. Izbrana w-linija dvigne bitno linijo preko diode na 1. Zato so v začetnem stanju same enice. Transistor: b-linija je vezana preko pull-up transistorja na napajanje, zato je na njej 1. Z adreso izberemo eno w-linijo. Napetost na w-liniji povzroči, da začne transistor prevajati in s tem povzroči določen padec napetosti na b-liniji (ne prav velik zaradi kapacitivnosti b-linije). Mask ROM Proizvajalec naredi masko glede na kupčevo specifikacijo vsebine ROMa - in drago zaračuna. Zato se izplača samo za zelo velike serije.

DIGITALNE STRUKTURE 5 PROM Tipično je bipolaren; to pomeni, da je VE bipolarni transistor. Ima k transistorju zaporedno vezano varovalko, ki jo uporabnik prežge z dovolj velikim tokom, tako da da gor zadosti veliko napetost. Take izvedbe se danes zelo redko uporabljajo. Danes so PROM-i večinoma EPROM-i v cenejšem ohišju brez kvarčnega okna (OTP). EPROM tudi UV-EPROM - E: izbrisljiv ( erasable ), večkratno - Tudi večkrat zapisljiv. - MOS tehnologija. - Ima plavajočo plast (floating gate, plavajoča vrata), tj. dodatno krmilno elektrodo, ki je na vse strani na debelo obkrožena z dielektrikom: visoka upornost. Struktura izkazuje efekt kondenzatorja. Zato EPROM celico pogosto označimo tudi takole: - Programiranje: Pri visoki napetosti na krmilni (gate) elektrodi (10V ali več) in ponoru proti substratu in izvoru pride do preboja dielektrika (plazovit (ali vroč) preboj, avalanche injection, hot electron injection ) iz smeri substrata. Elektroni morajo dobiti dovolj energije, da preskočijo 3.2eV energijsko bariero med substratom in SiO 2.

DIGITALNE STRUKTURE 6 Majhen neg. naboj (10 6 elektronov) pa ostane v plavajoči plasti tudi, ko ni več napetosti. Nima kam odteči, ker je naokrog močan izolator. Kondenzator se ne prazni, ker so elektroni ujeti v potencialno luknjo (časovna konstanta τ nekaj sto let). Neg. naboj na plavajoči plasti onemogoča, da bi transistor prevajal, ko je izbran. Naboj v bistvu znatno poveča pragovno napetost MOS transistorja. Proces programiranja celice je samo-omejujoč, tj. ni bojazni, da bi celico preveč sprogramirali. Elektroni v plavajoči plasti, ki jih je vedno več, vedno bolj omejujejo prihod novih elektronov iz substrata. EPROM programator priskrbi določene napetosti, ki jih konkreten EPROM potrebuje. Programiranje npr. 512K*8 traja kako minuto. Pri izbrisani celici transistor prevaja. Ko je izbran, se b-linija (ki je običajno prednabita) prazni skozenj in s tem ji pade napetost. B-linija je preko stikalnega transistorja s tipalno linijo povezana s tipalnim ojačevalnikom ( sense amplifier ), ki primerja to napetost z referenčno napetostjo. Če je manjša od referenčne, to običajno tolmači kot logično 1 ( 1 ), in obratno. Logična 1 je torej, kadar transistor prevaja. Zato ima običajno prazen

DIGITALNE STRUKTURE 7 EPROM same 1. EPROM je treba vzeti iz vezja in ga s posebno napravo (EPROM eraser) osvetljevati z UV svetlobo določene valovne dolžine (253.7nm) 10-30 minut, da se vsebina izbriše (fototok). Elektroni dobijo dovolj energije (3.2eV) da preskočijo iz plavajoče plasti proti gate in substratu. Ker ta frekvenca ne prodre skozi večino vrst plastike ali stekla, ima EPROM čip na vrhu kvarčno okence. Čip mora biti pri brisanju dovolj blizu UV-izvoru (nekaj cm). Treba je izbrisati celoten čip (ne gre po delih) in ga nato sprogramirati ter vložiti nazaj v vezje. EPROM pa lahko preveč zbrišemo; pri tem postane plavajoča plast tako nabita, da sploh ne more več sprejeti elektronov. Na sončni svetlobi se izbriše v kakem tednu (z neprozorno nalepko čez okence to lahko preprečimo). Max. število brisanj in pisanj proizvajalci neradi deklarirajo, je pa vsaj 100. Hiba je tudi potreba po večji napetosti pri programiranju. EEPROM Tunelski efekt oz. hladen preboj elektronov (Fowler-Nordheim tunneling, cold electron tunneling, tunneling): elektroni prebijejo energijsko bariero Si-SiO 2 z manj kot 3.2eV. EEPROM ima tanek dielektrik med plavajočo plastjo in ponorom in ga lahko brišemo z napetostjo na gate elektrodi, ki ima nasprotno polariteto kot pri pisanju. Pri pozitivni napetosti med ponorom in vrati tunelirajo elektroni skozi tanko plast oksida iz plavajoče plasti v ponor. S tem se zmanjša pragovna napetost in transistor prevaja. Pri brisanju je napetost nasprotne polaritete in elektroni tunelirajo iz ponora v plavajočo plast. Pragovna nap. se poveča, transistor ne prevaja. Brisati in reprogramirati ga je možno le v celoti, vendar po bytih.

DIGITALNE STRUKTURE 8 EEPROM-a ni treba vzeti iz vezja, če ga hočemo reprogramirati. Ne rabimo niti dodatne opreme; briše se z lokalizirano uporabo E-polja za vsako celico. Spreminjamo 1 byte naenkrat, kar je po svoje dobro, vendar počasno. EEPROM ni zamenjava za RAM - pisanje je počasno 30us/byte - št. vpisov je omejeno 10000, ker je plast dielektrika zelo tanka in se obrabi. Pomnilnik Flash Včasih se reče tudi Flash EEPROM, čeprav je njegova pomnilna celica v resnici kombinacija EPROM in EEPROM celice. Flash se imenuje zato, ker je možno bliskovito brisati po blokih (vnaprej določeni deli čipa), ki vsebujejo več deset KB. Zato je mnogo hitrejši kot običajen EEPROM, ki procesira po 1 byte naenkrat. Obstajata NOR in NAND Flash. NOR Flash lahko deluje, vsaj kar se branja tiče, kot običajen pomnilnik: naslovimo lokacijo in preberemo vsebino (random-access). Zato lahko služi kot zamenjava za ROM. Za brisanje oz. vpis pa potrebuje posebne ukaze, zato uporablja SW gonilnik. NOR Flash zavzame večjo površino zaradi fizične prisotnosti bitne linije. Tudi vpisujemo lahko posamezne lokacije (iz 1 v 0 ), brišemo pa lahko le po blokih. NAND Flash zavzame manjšo površino, ker bitne linije v bistvu ni. Do podatkov pa se da dostopati le sekvenčno. Brati in vpisovati je mogoče le po straneh (pages); stran ima tipično 512 bytov. Izbris je možen le po blokih, ki vsebujejo 32 (64, 128) strani, tj. od 16KB navzgor. Zaradi dostopa na nivoju strani in blokov deluje podobno kot npr. hard disk. Tudi sicer se uporablja za namene shranjevanja podatkov (mass storage). NAND Flash potrebuje SW gonilnik še bolj kakor NOR Flash zaradi upravljanja z defektnimi bloki (bad block management). NAND Flash se uporablja za USB diske in pomnilniške kartice. Pomnilniki Flash uporabljajo (eksterno) normalne napetosti, višje napetosti (npr. za programiranje) pa dobijo na osnovi črpanja naboja (charge pumping).

DIGITALNE STRUKTURE 9 Flash pomnilnik se uporablja v - mobilnih telefonih, - digitalnih kamerah, - LAN stikalih (switches), - USB pogonih, - PC karticah za prenosne rač., - digital set-up boxes, - vgradnih (embedded) napravah, - igralnih konzolah, itd. Zaključek Bralne pomnilnike uporabljamo za: - računalniške programe (npr. BIOS v računalnikih) - množenje manjših števil (naslov sestavljata faktorja, vsebina pa je produkt) - preslikovalne oz. look-up tabele funkcij - razne korekcijske tabele itd. Dva problema kanonskih realizacij z bralnimi pomnilniki sta: veliko število veznih elementov, potrebnih za realizacijo funkcij. Število VE narašča eksponentno glede na števila spremenljivk (zaradi PDNO oblike), kar pa ne velja za število operatorjev, potrebnih za realizacijo tipične MNO. Število izhodov je zaradi masovne uporabe teh gradnikov za potrebe permanentnega pomnjenja omejeno na 4, 8 (najpogosteje) in 9. Velike dimenzije ALI-matrike in zahtevne izhodne stopnje ne omogočajo realizacij, ki bi bile po času razširjanja signala od vhoda do izhoda blizu preklopnim časom stikal v izbrani tehnologiji. Poleg že omenjenih gradnikov povzroča pomembno zakasnitev signala in povečanje števila elementov tudi dekodirnik naslova, katerega kompleksnost tudi raste eksponentno v odvisnosti od števila spremenljivk. Torej, število veznih elementov in kompleksnost dekodirnika naslova naraščata eksponentno s številom vhodnih spremenljivk. Veliki bralni pomnilniki so počasnejši (dolge linije (velike parazitne C), počasno razširjanje signala); majhni (tipično so bipolarni) so hitrejši.

DIGITALNE STRUKTURE 10 Programabilna logična vezja PLD Tukaj bomo obravnavali le klasična programabilna logična vezja oz. PLD vezja ( Programmable logic devices ). Le-ta realizirajo normalne (kanonske) oblike logičnih funkcij. PLA Da bi se ognili omenjenim problemom, sta Philips in Signetics že v prvi polovici sedemdesetih let ponudila vezje pod kratico PLA ( Programmable Logic Array ) - programabilna logična ureditev. Spada v generično skupino vezij, ki realizirajo različne kanonske (normalne) oblike funkcij. Pri PLA sta obe matriki, IN in ALI, programabilni. Primer: PLA z 2 vhodoma, 4 produkti (IN) ter 2 izhodoma (ALI): Prednost PLA pred ROM je v tem, da ni potrebno pisati funkcije v PDNO obliki (z mintermi), ampak lahko v minimizirani obliki. To pride do izraza pri funkcijah velikega števila spremenljivk, ki imajo v minimizirani obliki pogosto relativno malo produktnih členov, in je torej realizacija s ROM zelo potratna.

DIGITALNE STRUKTURE 11 V takem primeru je bolj smiselno realizirati samo obstoječe produkte, kar zmore PLA na osnovi svojih programabilnih naslovov. Od ROM vezja se razlikuje v tem, da ne vsebuje zahtevnega naslovnega dekodirnika. Vsebuje pa zato posebno dodatno IN matriko. število potrebnih veznih elementov se pomembno zmanjša. Posamezen produktni člen si lahko deli več izhodov oz. funkcij, kar je pogosto možno koristno uporabiti. Poglejmo nekaj PLA elementov. Npr. - PLA 82S200 (Mullard) s 16 vhodi, 48 produkti, ter 8 izhodi ima 48 32- vhodnih IN vrat in 8 48-vhodnih ALI vrat. V primerjavi z MSI elementi je to mnogo, zato vezja PLA spadajo v skupino LSI vezij. - PLA PLUS153 (Philips): 8 vhodov, 32 36-vhodnih konjunkcij ((8+10)*2), 10 vhodov/ izhodov (s TS-vmesniki) in programabilno izhodno polariteto (z XOR vrati). Ima 20 pinov. 24-pinski PLUS173 ima 12 vhodov, ostalo pa podobno. Povejmo še, da PLA običajno ni realiziran v dvonivojski IN-ALI izvedbi, temveč v NOR-NOR izvedbi (popolna Pierce-ova normalna oblika (PPNO), spomnite se tudi na funkcijsko polnost operatorja NOR). Razlog, zakaj Shefferjeva oblika ni ugodna, je sledeč. Ker ima PLA veliko število vhodov, bi se v MOS tehnologiji pri NAND izvedbi produktnih členov upornost zelo povečala in s tem razmerje upornosti med bremenskim transistorjem in transistorji na besedni liniji. Da bi ohranili ustrezno razmerje, je treba spremeniti geometrijo bremena, s tem pa se poveča RC konstanta, kar upočasni vezje. Prednost NOR-NOR pred NAND-NAND obliko je v tem, da so pri NOR vratih transistorji na linijo vezani vzporedno. Obširne analize različnih realizacij v SSI in MSI tehnologiji in analize naključno generiranih funkcij so dale proizvajalcem odgovor kako izbrati parameter k, da je možno realizirati večino danih funkcij. Ob takratnem stanju tehnologije je bilo možno število izhodov (n) še zelo nizko (<10). Pomanjkljivost je ta, da se čas razširjanja signala od vhoda na izhod ni bistveno zmanjšal. Dve matriki z zahtevnimi izvedbami IN ter ALI operatorjev (posebno ALI operatorji imajo lahko veliko število vhodov) zahtevata svoje in tako so proizvajalci iskali odgovor na temeljno zahtevo približati se preklopnim časom stikal v neki tehnologiji.

DIGITALNE STRUKTURE 12 Potrebno število členov za realizacijo MDNO je v večini praktičnih primerov omejeno na sorazmerno majhne vrednosti (<8). Odločili so se, da programabilno ALI-matriko nadomestijo z operatorji, ki so fiksno povezani na izhode IN-matrike. Nastal je PAL. PAL ( Programmable Array Logic, Programabilno logično polje) PAL ima programabilno IN-matriko ter fiksno ALI-matriko: Pri PAL si sicer dve disjunkciji ne moreta deliti istega produkta, kot lahko pri PLA. Poznamo dve različni izvedbi. Ena je brez pomnilnih celic in realizira funkcije z zelo omejenim številom IN členov. Recimo temu klasični PAL. PAL je primeren za realizacijo večjega števila enostavnih funkcij, tudi funkcij različnih spremenljivk. Osnovni namen je nadomestiti množico operatorjev, s katerimi povežemo standardne MSI in LSI strukture. Tako na tiskanem

DIGITALNE STRUKTURE 13 vezju prihranimo precej prostora, in obenem povečamo fleksibilnost, ker je PAL mnogo lažje spremeniti kakor tiskano vezje. Disjunkcija ne uporablja vseh produktov, ampak samo nekaj (tipično 2, 4, 8, 16); manj, kot jih je, več neodvisnih funkcij je lahko. PAL je hitrejši kot PLA, ker imajo povezave z varovalkami pri PLA večjo upornost kot že sklenjene povezave pri PAL-u. Prvi PAL na tržišču je bil PAL16L8; L označuje aktivno nizke izhode. Na sliki je četrtina vezja PAL16L8: Vidimo, da ima programabilne vhode/izhode, tj. izhodi lahko služijo tudi kot vhodi. V ta namen mora biti tristanjski vmesnik v stanju visoke impedance; kadar ni, so izhodi tudi interno vezani nazaj in jih lahko po potrebi uporabimo. To je koristno v primerih realizacije kompliciranih funkcij, ki jih je potrebno razstaviti (dekompozicija). Nekaj primerov PAL-a: PAL10H8 (PAL10L8, PAL10R8): 10 vhodov, 8 izhodov (ALI), po 2 produkta na ALI operator PAL12H6 (PAL12L6, PAL12R6): 12 vhodov, 6 izhodov, (4,2,2,2,2,4) produkti na ALI operator

DIGITALNE STRUKTURE 14 14H4: 14 vhodov, 4 izhodi, po 4 produkti na ALI 16H2: 16 vhodov, 2 izhoda, po 8 produktov na ALI 16H1: 16 vhodov, 1 izhod, 16 produktov na edinem ALI Število produktov iz oznake ni razvidno. Pri PAL16R8 oznaka R pomeni, da so izhodi registrski, tj. vsakemu od osmih izhodov je dodan D flip-flop, kar pa delno že pripelje do naslednje razvojne stopnje, GAL vezij. GAL Gre za novejši (relativno gledano) PAL z dvema pomembnima dodatkoma: 1. OLMC ( Output logic macrocell ), kar v prvi vrsti pomeni dodano pomnilno celico 2. reprogramabilnost na osnovi EECMOS tehnologije Ker je GAL zaščiteno ime, ima tudi druge oznake (npr. PALCE, ki pa gre iz uporabe); odvisno od proizvajalca. GAL16V8 (oz. PALCE16V8) ima - največ 16 vhodov, največ 8 izhodov (ne oboje naenkrat), - 20 pinov (8 I, 8 I/O/Q, Clk/I, OE/I, Vcc, Gnd), - v vsako od 8 disjunkcij gre po 8 32-vhodnih produktov (16*2), - 8 flip-flopov. GAL22V10 (PALCE22V10) ima - 24 pinov (11 I, 10 I/O/Q, Clk/I, Vcc, Gnd), - v vsako od 10 disjunkcij gre po 8 do 16 44-vhodnih produktov (22*2), - 10 flip-flopov, - IN-matrika je velikosti 132*44. - 4ns delay Še večji čip je GAL26V12. Funkcionalni blok diagram vezja GAL22V10:

DIGITALNE STRUKTURE 15 V pomeni variable output configuration. Izhodna makrocelica OLMC pa pri GAL22V10 izgleda takole:

DIGITALNE STRUKTURE 16 S pomočjo programabilnih stikal (izbiralniki) v OLMC so možni različni načini delovanja: kombinacijski izhod (negiran ali nenegiran) registrski izhod (negiran ali nenegiran) vhod (kadar je TS-vmesnik onemogočen) kombinacijski izhod nazaj registrski izhod nazaj GAL16V8 ima za nastavitev izhodne polaritete kar XOR vrata in poseben bit. Izhod nazaj se uporabi, če je potrebno realizirati funkcijo večjega števila spremenljivk, kot jih je na voljo, predvsem pa, če število produktov, ki jih želimo peljati v ALI-vrata, preseže maksimalno dovoljeno vrednost. Omenimo še dve dobri lastnosti PLD vezij: 1. Zelo pomembna lastnost kanonskih vezij, kot so PLD, je, da omogočajo (še posebej v primerih, ko so vezni elementi reprogramabilni) 100% testiranje vezja v proizvodnji. Če v zasnovi funkcij ni napak, ni odpovedi ob začetku delovanja. Ta lastnost pa je dovolj pomembna pri številnih aplikacijah (npr. vesoljska tehnika).

DIGITALNE STRUKTURE 17 2. Kanonske realizacije vezij se odlikujejo v primeri z realizacijami na osnovi polja vrat (gate array, FPGA) tudi po tem, da zagotavljajo enak čas razširjanja signala od vhodov do izhodov za vse funkcije (GAL: 5ns). Signal mora le enkrat ali dvakrat (kadar je v makrocelici vezan nazaj) skozi vhodno IN matriko, vsi ostali časi zamuditve signala pa so isti in predvsem napovedljivi. To je zelo pomembna lastnost. CPLD Kompleksni ( complex ) PLD je razširitev GAL-a in ima večjo gostoto logike v čipu. CPLD sestavlja več osnovnih blokov tipa PAL/GAL, ki so povezani s stikalno matriko. Primer. Altera MAX3000A: - osnovni blok se imenuje LAB (Logic Array Block; enakovredno enemu GALu) - stikalna matrika oz. povezovalni snop se imenuje PIA (Programmable Interconnection Array) in skrbi za vse povezave v čipu, v posamezen LAB pa vodi le tiste signale, ki jih LAB potrebuje Slika prikazuje bločni diagram MAX3000A:

DIGITALNE STRUKTURE 18 Če pogledamo makrocelico (MC) na sliki:

DIGITALNE STRUKTURE 19 vidimo, da imamo dve vrsti razširitev: - Razširitve, ki si jih makrocelice v LAB-u delijo ( Shareable Expanders ): to so produkti, ki gredo direktno nazaj v vhodni snop (ne izhod makrocelice, kakor pri GAL-u, ampak še pred ALI-operatorjem). - Paralelne razširitve: to so produkti, ki si jih makrocelica izposodi od sosednih makrocelic. Kadar MC potrebuje več kot 5 produktov, jih lahko dobi 3*5=15 od višje ležečih MC. MAX3000A lahko programiramo in-system (In-System Programmability, ISP) na osnovi JTAG vmesnika, ki danes predstavlja standard.