Elettronica per l'informatica 10/10/2005

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1 Cosa Cosa c è c è nell unità D Unità : Elettronica digitale Elettronica per l informatica.1 Interconnessioni.2 Integrità di segnale.3 Diafonia e ground bounce 1 2 Contenuto dell unità D Prerequisiti per l unità D Interconnessioni interfacciamento statico e dinamico Integrità di segnale analisi di interconnessioni, driver e receiver Diafonia accoppiamenti induttivi e capacitivi, maglie comuni distribuzione di masse e alimentazioni Struttura e parametri delle porte logiche Comportamento di sistemi del I e II ordine nel dominio del tempo Linee di trasmissione ideali Circuiti logici elementari, combinatori e sequenziali Dispositivi logici programmabili argomento non presente in questo corso 3 4 Obiettivi dell unità Lezione D1 1 Competenze acquisite Integrità di segnale nei sistemi digitali come fare in modo che il segnale trasporti l informazione voluta scelta della famiglia logica più adatta tecniche per la distribuzione di massa e alimentazione Dispositivi logici programmabili argomento non presente in questo corso richiami di interfacciamento statico tempo di trasmissione e skew modello a linee diagramma a traliccio esempi Riferimenti nel testo Sistemi di interconnessione 5.1 Interfacciamento elettrico Lezione D1 - DDC

2 Indice della lezione 1 richiami di interfacciamento statico tempo di trasmissione e skew Elettronica per l informatica modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi 7 8 Interconnessioni Livelli di protocollo La tecnologia microelettronica permette di collocare > 10 9 transistori su un chip come portare l energia richiesta (alimentazione) e allontanare il calore come portare entro e fuori il chip le informazioni Il sistema di interconnessione rappresenta il collo di bottiglia per le prestazioni di sistemi complessi modello a strati per dividere il problema utente, applicazione, SW, protocolli, bus, come spostare bit e gruppi di bit con la massima efficienza (max velocità, min energia) 9 Queste lezioni 10 Regole di compatibilità statica Tensioni e correnti Condizioni sulle tensioni uscita V livello alto margine di rumore livello basso H L MAX ingresso stato logico non definito MIN legame con le correnti Lezione D1 - DDC

3 Definizione di H e L Come individuare H e L Le tangenti a 45 individuano una zona con Vo/Vi > 1, che garantisce la rigenerazione del segnale logico. Tangente a 45 I circuiti CMOS attuali hanno trascaratteristica praticamente verticale, in corrispondenza della tensione di soglia V T. Le tensioni comprese tra H e L sono interpretate in modo ambiguo. L H Intervallo con Vo/Vi > 1 13 V T 14 Come individuare H e L Come individuare H e L I circuiti CMOS attuali hanno trascaratteristica praticamente verticale I circuiti CMOS attuali hanno trascaratteristica praticamente verticale Tangente a 45 La tensione di soglia è definita con scarsa precisione La tensione di soglià è definita con scarsa precisione H e L sono individuate dalle tengenti a 45 per le trascaratteristiche limite L H Data split Comportamento dinamico N A uscita logica DRIVER INTERCONNESSIONE Ingresso logico RECEIVER L A VIN H Se il livello di ingresso N è intermedio tra le due soglie, i buffer lo interpretano come stati logici differenti. I segnali logici non sono perfette onde quadre Un collegamento non è equipotenziale È un caso di tensioni di ingresso ambigue DATA SPLIT Lezione D1 - DDC

4 Comportamento dinamico Modelli per l interconnessione uscita logica DRIVER INTERCONNESSIONE Ingresso logico RECEIVER I segnali logici non sono perfette onde quadre Un collegamento non è equipotenziale 19 Due tipi di modello: A parametri concentrati unico nodo equipotenziale coppia RC, LC, RL circuito RLC complesso catena di gruppi RLC A parametri distribuiti linea di trasmissione ideale linea di trasmissione con perdite 20 Indice della lezione 1 richiami di interfacciamento statico tempo di trasmissione e skew Elettronica per l informatica modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi Modello del sistema Uniconodoequipotenziale Modello lineare per driver e receiver Va uscita a vuoto del driver Ro resistenza equivalente di uscita del driver Ri resistenza di ingresso del receiver Ci capacità di ingresso del receiver Caso più semplice interconnessione modellata come collegamento diretto permette di definire i parametri significativi R O INTERCONNESSIONE C R O INTERCONNESSIONE C V A V VC C I R I V A V VC C I R I Lezione D1 - DDC

5 Modello RC Cella passa basso Circuito equivalente: cella passa basso del primo ordine R O V A C V P V C C R I R = R O //R I ; C = C P risposta esponenziale al gradino la variazione di stato logico viene riconosciuta dal receiver quando la tensione di ingresso attraversa la soglia V T V A V V C VT Tempo di trasmissione Variazioni del t TX Il ritardo con cui viene riconosciuta la variazione di statologicoè il TEMPO DI TRASMISSIONE (t TX ) t TX dipende da: livelli inziali e finali all uscita del driver (Voh, Vol) soglia V T del receiver resistenza di uscita Ro del driver capacitá di ingresso Ci del receiver VT1 t TX 1/2 V T2 t TX(MAX) H t Skew Effetto di variazioni della soglia Tx varia da una connessione all altra e per varie coppie driver-receiver sulla stessa connessione La differenza t TXmax -t TXmin è lo SKEW (t K ) Lo skew dipende dalla dispersione di livelli di uscita effettivi del driver parametri dell interconnessione soglia del ricevitore Lezione D1 - DDC

6 Modello RC dell interconnessione Modello RC completo Interconnessione modellata con cella RC stessi modelli dei driver e receiver, con Ro, Ri, Ci resistenza serie Rs capacità parallelo Cp R O R P C V A C V P V C R I V A R S C V C V C P V C V V T V T circuito equivalente Modello RC In entrambi i casi: cella passa basso del primo ordine risposta esponenziale al gradino Tempo di trasmissione t TX e skew t K legati a parametri di driver e receiver Voh, Vol, Vih, Vil, Ro, Ri, Ci parametri dell interconnessione Rs, Cp posizione sull interconnessione Vb diverso da Vc Elettronica per l informatica Indice della lezione 1 Modello a linea di trasmissione Nell interconnessione sono presenti anche induttanze richiami di interfacciamento statico tempo di trasmissione e skew R-C R-L-C G P -R S -L-C R, L e C sono distribuite lungo tutto il conduttore modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi Modello a linea di trasmissione Z O, t P Lezione D1 - DDC

7 Modelli a parametri distribuiti Quando usare il modello distribuito Il modello a linea di trasmissione è più accurato Quando occorre usare il modello a linee? collegamenti lunghi & segnali veloci lunghezza conduttore > 1/6 lungh elettrica di t r /t f conta la ripidità dei fronti, non la frequenza di clock tempo di propagazione confrontabile con i tempi di salita e discesa del segnale. corrispondenza circa 2,5 cm/ns 37 Il modello a parametri distribuiti (linea) va usato quando il tempo di propagazione è confrontabile con i tempi di salita e discesa del segnale. criterio usuale: propagazione su l/6 Famiglia t r /t f Lunghezza(L/6) LS 10 ns 4 cm ALS 5 ns 2 cm AT 2,5 ns 1 cm AHC 2 ns 0,8 cm PCI, AGTL 1 ns 0,4 cm 38 Quali connessioni? Cavi di vario tipo Possono essere considerate linee di trasmissione le piste su PC e i cavi (coassiali, cavi piatti, doppino, ) R serie e G parallelo nulle linee ideali, senza perdite, Z reale valori indicativi Z : Ω Cavi coassiali Ω Cavi piatti Ω Doppino Ω U: 0,6-0,8 c (18-24 cm/ns) 39 Velocità U: 0,6-0,8 c (18-24 cm/ns) 40 Piste su circuito stampato Parametri di linee senza perdite Piste su stampato (con piani di massa) Ohm Valori indicativi di U: 0,6-0,8 c Parametri legati alle dimensioni e ai materiali Lu: impedenza unitaria Cu: capacità unitaria l: lunghezza Z : impedenza caratteristica; u: velocità di propagazione; t P = l/u : tempo di propagazione Lezione D1 - DDC

8 Da cosa dipendono i parametri Z e U dipendono da Cu e Lu Aumentando Cu piste più larghe, minor distanza da massa, capacità aggiuntiva di altri ingressi e uscite diminuisce Z diminuisce la velocità di propagazione U Aumentando Lu piste più strette aumenta Z diminuisce la velocità di propagazione U 43 Elettronica per l informatica Discontinuità e riflessioni 44 Indice della lezione 1 Effetto delle discontinuità richiami di interfacciamento statico tempo di trasmissione e skew modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi Discontinuità geometriche del conduttore e presenza di carichi determinano variazioni di impedenza caratteristica, e quindi: variazioni di V e I rispetto a una linea uniforme. Sulle discontinuità la relazione V/I = Z deve valere sia verso destra (Z1) che verso sinistra (Z2) V/I = Z1, V/I = Z2 V è uguale per i due lati 45 La discontinuità genera un onda riflessa 46 Coefficienti di riflessione Coefficienti di riflessione Definiamo un coefficiente di riflessione Γ : Γ = (Z 1 -Z )/(Z 1 + Z ) Se l onda incidente è Vp, l onda riflessa dalla discontinuità da Z a Z 1 ha una ampiezza Vr : Vr = Γ Vp Definiamo un coefficiente di riflessione Γ : Γ = (Z 1 -Z )/(Z 1 + Z ) Se l onda incidente è Vp, l onda riflessa dalla discontinuità da Z a Z 1 ha una ampiezza Vr : Vr = Γ Vp 47 Una discontinuità significativa è la terminazione su una resistenza Rt; Γt, coefficente di riflessione alla terminazione, vale: Γt = (Rt-Z )/(Rt + Z ) 48 Lezione D1 - DDC

9 Onda incidente e onda riflessa Linea pilotata con gradino Lungo una linea si propagano: onda PROGRESSIVA o INCIDENTE Vp (dal generatore verso il carico) onda REGRESSIVA o RIFLESSA Vr (dal carico verso il generatore). V(t) e I(t) sono somma dei due termini Vp e Vr V(t) = Vp + Vr In ogni punto della linea V(t)/I(t) = Z ; Modello lineare per driver e receiver (terminazione) Linea senza perdite V A V A R O V Z, t P R T C V C Primo gradino Primo gradino e prima riflessione Il driver è caricato con Z Il gradino V (0) impresso sulla linea è dato dalla partizione di Va su Ro e Z Il gradino V (0) si propaga lungo la linea onda incidente v 1 Z Primo gradino e prima riflessione Circuito completo Il gradino V (0) si propaga lungo la linea onda incidente v 1 Dopo un tempo t P giunge alla terminazione Alla terminazione (R T ) si genera un onda riflessa v 2 l ampiezza di v 2 dipende da Γ T Il gradino V (0) impresso sulla linea è dato dalla partizione di Va su Ro e Z Su (R T ) si genera un onda riflessa v 2 v 2 T circuito completo Lezione D1 - DDC

10 Indice della lezione 1 richiami di interfacciamento statico tempo di trasmissione e skew Elettronica per l informatica modello a linea di trasmissione discontinuità e riflessioni tecniche di analisi Tensione sulla linea Tensione sulla linea Due rappresentazioni del segnale sulla linea: distribuzione della tensione lungo la linea a un dato istante di tempo il gradino di tensione si muove dal generatore verso la terminazione, l onda riflessa in senso opposto, e le eventuali riflessioni successive in direzioni alterne Tensione sulla linea Diagramma a traliccio Due rappresentazioni del segnale sulla linea: distribuzione della tensione lungo la linea a un dato istante di tempo il gradino di tensione si muove dal generatore verso la terminazione, l onda riflessa in senso opposto, e le eventuali riflessioni successive in direzioni alterne andamento del segnale nel tempo in un determinato punto della linea la tensione varia nel momento in cui nel punto di osservazione transitano il gradino inziale e le successive riflessioni diagramma a traliccio Lezione D1 - DDC

11 Segnale agli estremi Andamento complessivo di V e V C Il segnale si ottiene sommando via via i contributi di onda incidente e onda riflessa Lato driver: discontinuità a 0, 2t P, 4t P, Lato terminazione: discontinuità a t P, 3t P, 5t P, punto intermedio: numero doppio di discontinuità onda incidente e riflessa transitano in tempi diversi Esempio di andamento delle tensioni lato driver e lato terminazione Γ positivo da entrambi i lati onde riflesse tutte con lo stesso segno gradinata monotona Andamento complessivo di V e V C Vista x/t del segnale su una linea Andamento nel tempo e lungo la linea della tensione Riflessioni con Γ positivo Simulatori interattivi reperibili sul sito web Politecnico Applet LineaL vista V(x) e V(t) in un punto a scelta esecuzione diretta Simulatore MATLA di linea di trasmissione Eseguibile, non richiede licenza Matlab Viste della tensione su una linea V(x,t) e V(t) in varie condizioni di funzionamento Sommario lezione 1 Verifica lezione 1 modello a strati delle interconnessioni interfacciamento statico parametri elettrici dei circuiti logici definizione di tempo di trasmissione e skew modello a linee parametri significativi andamento V(x,t) Esercizio 1.1: tempi di trasmissione e skew 65 Quali sono le condizioni di compatibilità statica tra porte logiche? Dare la definizione di tempo di trasmissione e di skew Quanto vale il coefficente di riflessione per linea aperta linea in corto circuito linea terminata sull impedenza caratteristica Come variano impedenza caratteristica e velocità di propagazione aumentando la capacità per unità di lunghezza? La tensione a regime su una linea dipende da Z o da R T? 66 Lezione D1 - DDC

12 Prossima lezione (2) Integrità di segnali terminazioni analisi di casi specifici carico capacitivo commutazione su onda incidente esempi specifici con linee Riferimenti nel testo Dispositivi reali 5.2.5, Esempi Lezione D1 - DDC