INTRODUCCIÓN eman ta zabal zazu LDD 2007-08 1 INDICE. • • • • • Circuitos integrados. Introducción. Evolución del diseño electrónico. La Lógica Programable. El lenguaje VHDL. El codiseño Hardware- Software. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 2 CIRCUITOS INTEGRADOS • Un Circuito Integrado (C.I.) es un circuito electrónico donde tanto los componentes como su conexionado se construyen en un mismo dado de material semiconductor (Si) chip • 1958 J. Kilby (Texas Instr.) primer C.I. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 3 • Rápida evolución: Componentes SSI → Procesador VLSI • • • • Circuitos más complejos Metodologías nuevas de diseño Herramientas nuevas de diseño Desarrollo paralelo Microelectrónica ↔ Informática eman ta zabal zazu LDD 2007-08 4 METODOLOGÍA MODULAR DE DISEÑO Alternativas para implementar un sistema digital en un CI: Digital Logic Standard Logic TTL 74xx CMOS 4xxx Progammable Logic (FPLDs) PLDs FPGAs Full Custom ASICs Microproce ssor & RAM CPLDs Gate Arrays Standard Cell eman ta zabal zazu LDD 2007-08 5 Alternativas de diseño electrónico • Diseño basado en CIs estándar (primera alternativa): – Inicialmente los CIs eran del tipo SSI, o MSI: puertas, registros, pequeñas RAMs,... – Permitieron el desarrollo de sistemas de complejidad baja o intermedia de forma sencilla – Mantenimiento y reproductibilidad flexible . – No válido para sistemas más complejos: problemas de velocidad, consumo, confidencialidad,... – Actualmente: prácticamente en desuso a nivel comercial. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 6 Alternativas de diseño electrónico • FULL-CUSTOM (VLSI). – Diseño de un sistema electrónico “totalmente a medida” integrando todos los elementos necesarios en un solo chip. – Se optimiza el diseño desde el nivel más bajo (transistor), diferentes tecnologías. – Necesidad de complejas herramientas de diseño basadas en el uso del computador: simuladores, elementos de test,.... – Prestaciones altas (velocidad, consumo,..) y alto grado de confidencialidad – Costos de ingeniería de diseño y fabricación muy grandes. – Plazos de diseño largos – Solución válida para muy grandes series: microprocesadores, RAMs,...Poco atractiva para diseñadores. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 7 Alternativas de diseño electrónico • ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Semi-custom. – Diseño de un sistema electrónico para un propósito específico, integrando todos los elementos necesarios en un solo chip, pero basado normalmente en elementos prediseñados (bibliotecas de celdas). – Necesidad de herramientas de diseño basadas en el uso del computador: bibliotecas de celdas prediseñadas, simuladores,... – Prestaciones altas (velocidad, consumo,..) y alto grado de confidencialidad – Costos de ingeniería de diseño y fabricación no tan elevados, pero la última fase de fabricación ha de realizarse en una empresa especializada. – Plazos de diseño largos – Solución no demasiado atractiva para diseñadores. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 8 Alternativas de diseño electrónico • Lógica Programable – Los dispositivos lógicos programables (PLDs, FPGAs,...) son circuitos integrados de alta densidad que pueden ser programados para un propósito específico. – Es una red de celdas lógicas comunicadas por una red de interconexión programable – Herramientas de diseño y programación basadas en el uso del PC simples de usar y de costo bajo. – Amplia oferta de circuitos de diferentes prestaciones en cuanto a densidad de elementos integrados, pines de entrada salida, velocidad, consumo,... – Costos de ingeniería de diseño razonables. Buen grado de confidencialidad. – Solución muy atractiva para diseñadores: fabricación “en casa”. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 9 Alternativas de diseño electrónico • Lógica Programable- Otras ventajas – Alto rendimiento: gran nº de registros, f hasta 100MHz. – Alta densidad y capacidad. – Memoria integrada en varios niveles. – Reprogramables sin necesidad de extraerlos del sistema. – Algunos dispositivos permiten reconfiguración parcial. – Ciclos de diseño relativamente cortos y baratos. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 10 Características de las tecnologías: Full Custom VLSI Design Speed, Density, Complexity, Market Volume needed for Product ASICs CPLDs FPGAs PLDs Engineering Cost, Time to Develop Product eman ta zabal zazu LDD 2007-08 11 Aplicaciones de la Lógica Programable. • Han sustituido los diseños realizados hace algunos años mediante CI • Procesado digital de señal (DSP) • Aplicaciones de multimedia • Comunicaciones de alta velocidad • Sistemas de redes • Implementación de protocolos de bus • ........... eman ta zabal zazu LDD 2007-08 12 METODOLOGÍA DE DISEÑO. EVOLUCIÓN. Evolución paralela a tecnología y alternativas de diseño desarrollo de herramientas de ayuda software y hardware. Inicialmente diseño “bottom-up” : desde el más bajo nivel (transistor): poco eficiente para diseños complejos (miles de componentes) altos costos de producción: fallos y errores frecuentes. Evolución a metodologías “top-down” que permiten descripciones al más alto nivel (independientes de la tecnología): Posibilita el centrar el diseño a nivel funcional y comportamental Existencia de herramientas de simulación para disminuir errores en los productos finales. Los HDLs adquieren gran importancia. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 13 PROCESO BÁSICO DE DISEÑO Requisitos y especificaciones Altera Diseño modelo VHDL Diseño Funcional Compilación Modelado y Síntesis Diseño Arquitectural (RTL) Diseño Lógico (puertas) Diseño Físico (transistores-layout) eman ta zabal zazu Simulación Fabricación y Test LDD 2007-08 Análisis de Timing Configuración del PLD Programación del PLD y Test 14 • Estas etapas son función de las distintas alternativas de diseño. • Por analogía PROGRAMACIÓN se busca SÍNTESIS DE ALTO NIVEL Chip desde una descripción de alto nivel • Imprescindible los lenguajes HDL-- VHDL eman ta zabal zazu LDD 2007-08 15 Síntesis de hardware descripción funcional process begin for I in 0 to 10 loop ::: end loop; end process; descripción estructural Síntesis Proceso de Transformación de una descripción de un circuito en una descripción funcional estructural: eman ta zabal zazu –Nivel de Transferencias entre registros. –Layout (Caso Ideal) LDD 2007-08 16 LENGUAJES DE DESCRIPCIÓN HARDWARE (HDLs) • Es un lenguaje de alto nivel, con una sintaxis y semántica definidas, para facilitar el modelado y descripción de circuitos electrónicos, desde las celdas base hasta sistemas completos. • Permiten distintos niveles de abstracción, predicción y estilo. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 17 LENGUAJES DE DESCRPCIÓN HARDWARE (HDLs) • Un entorno CAD de diseño utiliza distintos lenguajes y formatos (en general propios) para describir cada uno de los objetos del diseño: descripción, simulación y síntesis. • Inicialmente se utilizaban los netlist: conjunto de instrucciones que describen interconexiones entre componentes • Un lenguaje de descripción hardware:HDL unifica las formas de descripción y permite el intercambio de información entre diseñadores. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 18 BREVE HISTORIA • Años 70: gran desarrollo de HDLs en entornos: – industriales no accesibles – educativos no mantenimiento adecuado. • Años 80: necesidad de unificar procesos de descripción: VERILOG, VHDL. eman ta zabal zazu LDD 2007-08 19 El CODISEÑO HARDWARESOFTWARE. • Estado actual: – Alta complejiddad de los diseños en prestaciones y densidad. – Uso generalizado de lenguajes HDLs – Diseño a nivel de sistema y no tanto a nivel RTL (register transfer level): esfuerzo en alto nivel, cumplir la funcionalidad del sistema a diseñar. • Tendencia actual en el diseño Codiseño: – Particionar el sistema en parte Hardware y parte Software. – El particionado ha de verificar unos criterios de optimización: velocidad, área, coste de producción/diseño,... – El sistema ha de cumplir las especificaciones funcionales previstas. eman ta zabal zazu – El diseño se aleja de las especificaciones de la tecnología de implementación. 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