Inhoud

Digitale elektronica --1--

InhoudDe ontwerpruimte en haar terminologie

– De ontwerpruimte **– Het ontwerptraject

Boole-algebra en functies **– Definities en eigenschappen van Boole-algebra en

functies– Representaties van Boolese functies

Schakelnetwerken en hun bouwstenen– Poortnetwerken versus taknetwerken **– Analyse van taknetwerken **– Standaardcomponenten– Programmeerbare componenten– ASIC-bouwstenen

Synthese van poortnetwerken **– Algebraïsche minimalisatie– Implicantenmethoden: McCluskey’s algoritme– Topologische en heuristische methoden– Meerniveausynthese


Soorten schakelnetwerken

Men kan op diverse manieren systemen met een aan/af-gedrag bouwen:

• Mechanisch– pallen, vergrendelingen, ... (slotmechanismen)– fluidics

• Optisch– aan/afwezigheid van licht, polarisatie, kleur...– refractieve en/of diffractieve elementen

• Elektrisch– taknetwerken met schakelaars– poortnetwerken

• ...


Taknetwerkenbasisbouwblokken

Zijn netwerken van schakelaarsSchakelaar = primitieve bouwsteen:

– element met twee klemmen en controlevariabele– controlevariabele heeft binaire interpretatie– schakelaar realiseert functie

– definitiedomein en beelddomein zijn verschillend

: Controlewaarden { , }S open gesloten

X X’

NO-type NC-type


Taknetwerkenopbouw van serie-parallelnetwerken SPn

Wij beschouwen netwerken opgebouwd door serie- of parallelschakeling van twee deelnetwerken: model voor + en • uit Fn

Generatieregels van SPn vergelijkbaar met deze van Vn:

X

X’

Als BV, dan zijn ( ) en ( )'

0 en 1 zijn BV

BV

en ' , {1,2, , } zijn BV

Als en BV, dan zijn en BV

i iX X i n

A B A B A B

A A AA

A

B

B

A

B


Taknetwerkenopbouw

Conclusies:SPn is minder rijk dan Vn

SPn is minder rijk dan Tn

Nochtans:• alle elementen van SPn komen overeen met BV en stellen dus

functies voor• alle elementen van Tn (alle taknetwerken) realiseren functies,

hoewel zij niet alle overeenkomen met een BV• alle DSV-vormen komen overeen met een element uit SPn, en dus

kunnen alle functies gerealiseerd worden


Poortnetwerkenbasisbouwblokken

Poorten modelleren elementaire operaties uit B1

Argumenten en functiewaarden nu wel in zelfde verzameling

Verbinden van poortuitgangen met poortingangen gemodelleerd door functiesamenstelling


Poortnetwerkencompositieregels

Alle compositieregels uit Vn ook aanwezig in Pn

0 en 1 zijn BV

en ' , {1,2, , } zijn BV

Als BV, dan zijn ( ) en ( )' BV

Als en BV, dan zijn en BV

i iX X i n

A A A

A B A B A B

‘0’ ‘1’

X X’

A A

A

B AB

AB


Poortnetwerkenconclusies

Elke Boolese vorm wordt voorgesteld door een poortnetwerk uit Pn en vice versa

Alle poortnetwerken uit Pn stellen functies voorAlle Boolese functies kunnen worden gerealiseerd

m.b.v. poortnetwerkenEr zijn poortnetwerken die functies realiseren

maar niet behoren tot Pn (netwerken met fan-out) -- corresponderen met stelsels BV’n

Er zijn poortnetwerken die geen functies realiseren


Systematische analyse van taknetwerken

Gebaseerd op matrixvermenigvuldiging in Boole-domein

Beschouwde matrices: Boolese Matrices• elementen zijn Boolese vormen• Diagonaal altijd 1

Connectiematrix van taknetwerk is Boolese Matrix


Systematische analyse van taknetwerken

Product van connectiematrix over B enumereert paden van lengte 2, 3, ...

Padlengte beperkt (geen knopen herbezoeken)

Product convergeert naar limietwaarde naar eindige tijd

Resultaat is transmissiematrix

1 0 '1 ' '

0 ' 1 ' 0' ' 1 '

' 0 ' 1

X Y X YX Z X Z Z

Z X YY Z Y X

X Y Z X


Systematische analyse

2

3

1 0 '1 ' '

0 ' 1 ' 0' ' 1 '

' 0 ' 1

1 ' ' '1 ' ' 1 '

' ' 1 ' ' ' ' '' ' 1 ' ' ' 1 '' ' ' ' ' 1

1 1 ' ' 1

X Y X YX Z X Z Z

A Z X YY Z Y X

X Y Z X

X Y Z XZ X Y Z X Y ZX Y Z X Y Z X Y Z

A XZ X Y Z Y X Z Z X YX Y Z Y X Z X YX Y Z X Y Z Z X Y X Y

Y X Z

A

'1 1 1 1 '

' ' 1 1 ' ' '1 1 ' ' 1 '

' ' ' ' 1

X Y ZX Y Z

Y X Z X Y Z X ZX Y Z X Y Z

X Y Z X Y Z X Z X Y Z


Digitale bouwstenenstandaardcomponenten

Digitale bouwstenen

Standaard-componenten

Programmeerbarecomponenten

Applicatie-specifiekebouwstenen

Seq. Comb. PLA-achtigen

Cell-arrays

GateArrays

StandardCell

Full Custom

SSIMSILSI

PLAPALPLSEPLDVLSI

FPGA


Standaardcomponenten

Standaardcomponenten zijn afgewerkte componenten met vaste functionaliteit, bepaald door fabrikant

Meestal verpakt in standaard behuizingClassificatie gebaseerd op:• Sequentieel vs. Combinatorisch• Complexiteit:

– SSI (< 12 poort-equivalent per chip)– MSI (12 .. 100 poort-equivalent per chip)– LSI (> 100 poort-equivalent per chip)– VLSI, ULSI, XLSI, ...



Standaardcomponenten zijn gedurende lange tijd (tussen ca. 1965 en 1985) belangrijkste bouwblokken geweest voor digitale systemen

Komen voor in uitgebreide assortimenten in de belangrijkste technologieën (TTL, ECL, CMOS, BiCMOS)

Functionele terminologie wordt ook gebruikt in andere families (programmeerbare en ASIC)


Standaardcomponenten:technologische evolutie

Technologische levenscyclus van producten van Texas Instruments

Introductie Groei Maturiteit AfnameVeroudering

ALVC

LVLVT

ABT

AC

HC

AS

ALSF

S

TTL

BCT

LSFCT

CD4000

AHC

BipolarCMOSBiCMOS

TI - producten

andere

LVC

ALB


Standaardcomponenten:verpakkingen (Texas Instruments)


Standaardcomponenten:verpakkingen



Voordelen in gebruik:• welgedefinieerd, en uitgebreid assortiment

van betrouwbare en gestandaardiseerde bouwblokken

• extensief hergebruik van vroegere ontwerpen (re-use, nu aan de orde in software en ASICs)

• goede beschikbaarheid (grote oplagen, meerdere producenten)

• goede toegankelijkheid (testen) van circuits• geringe kapitaalinvestering van eindgebruiker

(ontwerper), korte ontwerpcyclus


StandaardcomponentenNadelen in gebruik: functionele schaarste

in hogere integratiedichtheden• aantal mogelijke functies stijgt als O(2(2n))• assortiment te beperkt om complexiteit af te

dekken wanneer n stijgt• realisaties vereisen algemeen veel glue logic

=> hogere componentaantallen– grotere oppervlakte– meer vermogendissipatie (C groter)– lagere prestaties (RC groter)– lagere betrouwbaarheid (meer verbindingen)


Standaardcomponenten: glue logic


Standaardcomponenten:combinatorische functies

SSI• busproducten (drivers, transceivers, …)• interface-producten (niveau-

omvormers, display-drivers, …)• assortiment poorten

– bijna volledige functiebedekking: inv, and, or, nand, nor, xor, xnor, and-or-inv

– 2-8 inputsMSI• multiplexers, demultiplexers• aritmetische bouwblokken (+, x, carry-

circuits)• code-convertors: 7-segment, pariteit,

Voorbeelden van pdf-bestanden7400

Voorbeelden van pdf-bestanden7418174139


Standaardcomponenteninterconnectieproblematiek

Verbindingen voor ‘trage’ signalen worden met enkelvoudige geleiders gemaakt (baantje + aardvlak)

Bussen worden gemaakt met open-collector of open-draincomponenten,ofwel met afschakelbare uitgangen


Standaardcomponenteninterconnectieproblematiek

Voor snelle interconnecties maakt men gebruik van differentiële interconnectie via transmissielijnen

Twee baantjes met Z0=50W naar aardvlak

Voorbeeld: LVDS


Digitale bouwstenenprogrammeerbare componenten

Digitale bouwstenen




Seq.

Comb.

PLA-achtigen

Cell-arrays

GateArrays

StandardCell

Full Custom

SSIMSILSI

PLAPALPLSEPLDVLS

I

FPGA


Programmeerbare componentenZijn generieke componenten waarbij de

eindgebruiker de uiteindelijke functionaliteit definieert

Doel: combineren van massaproductie en hoge integratiedichtheid zonder specialisering

Voordelen:– laag chipaantal– korte implementatiecyclus– ‘gemakkelijke’ adapteerbaarheid van afgewerkt produkt

Nadelen:– dure componenten– relatief traag


Programmeerbare componententechnologieën

Er zijn diverse technieken om het gedrag van een afgewerkte component te wijzigen

Belangrijke parameters: reversibiliteit en volatiliteit

R V Technologie n n Smeltverbindingen: effectief doorsmelten

van overtallige verbindigenn n Antifuses: laten doorslaan van isolatorj n MOS met vlottende gate:

• FAMOS (lawinedoorslag en hot-electron-injectie + UV-wissen)

• EEAMOS (Fowler-Nordheim-tunneling)j j RAM-cellen

Voorbeelden van pdf-bestandenEEAMOS


Programmeerbare componententechnologieën

UV-wisbare component met kwartsvenster

Elektrisch wisbare component


Programmeerbare componentenprorgammeerapparaten


Programmeerbare componentenarchitecturen: PLA-achtigen (1)

De PLA en de PLS: oerarchitecturen

• afzonderlijk programmeerbare EN- en OF-matrix

• Twee-niveaurealisatie• Beperking in produkttermen• PLS: toestandsregister

Specialisaties: beperk programmeerbaarheid

• geen OF-matrix PAL• geen EN-matrix: ROM


Programmeerbare componentenarchitecturen: PLA-achtigen (2)

De PAL en de PLD: de moderne werkpaarden

• karakteristiek is de grote EN-matrix

• veel varianten op de OF-matrix

Voorbeelden van pdf-bestandenMACH pldCypress pld22v10


Programmeerbare componentenarchitecturen: Cell-arrays (1)


Programmeerbare componentenarchitecturen: Cell-arrays (2)

Cell-arrays worden gewoonlijk FPGA’s genoemd (het zijn echter geen gate arrays!)

Ontwerp van combinatorische functies meerlaags wegens te beperkte fan-in

Programmeerbare interconnectie kan trager zijn dan de functionele bouwblokken: plaatsing en routering van zeer groot belang

FPGAs worden zeer veel gebruikt:– voor kleine series– als configureerbare simulatie-accelerator– als configureerbare coprocessor (nu ook on-chip)


Programmeerbare componenten

architecturen: interconnecties


Digitale bouwstenenASIC’s

Digitale bouwstenen




Seq. Comb. PLA-achtigen

Cell-arrays

GateArrays

StandardCell

Full Custom

SSIMSILSI

PLAPALPLSEPLDVLSI

FPGA


Gate arraysGeprefabriceerde wafers met

actieve componenten erop (b.v. NAND-poorten)

Ontwerp = afbeelding van circuit op poortcircuit (via bibliotheekcomponenten)

Interconnectie door metallisatie (4-6 lagen)

Voorbeelden van pdf-bestandenGateArray.pdf


Standard CellsOntwerper beschikt over bibliotheek van elementaire

bouwblokken (SSI- functionaliteit)Manuele of automatische synthese van probleem naar

logische structuur in deze bouwblokkenFysische layout van bouwblokken heeft dezelfde

hoogte. Worden in rijen geplaatstAansluitingen boven en onder. Interconnectie via

kanaalrouteringFysische plaatsing en interconnectie kan verregaand

geautomatiseerd worden -- resultaten echter niet zo goed als full-custom:– layout is ijler– circuit is trager (wegens langere bedrading)


Standard Cells


Standard Cells en Modules (1)


Standard Cells en Modules (2)


Full Custom (1)

Full-Custom ontwerp impliceert ontwerp tot op circuitniveau

Ontwerper is verantwoordelijk voor het ontwerp van de fysische structuur van alle basiscellen: – Keuze van W en L van transistors, – ligging, breedte en separatie van

interconnectie, …– Aard van de I/O-pinnen


Full Custom (2)

Full-Custom ontwerp moet ondersteund worden met krachtige verificatietools:

• DRC: Design Rule Check -- verificatie van regels voor afmetingen, overlapping, separatie, …

• LVC: Layout versus schematic -- extractie van equivalent schema uit layout, voor verificatie met door ontwerper getekend schema, en extractie van parameters voor tijdsgetrouwe simulatie

Inhoud

Documents

Transcript of Inhoud