Introduzione al Flusso di Progetto di Circuiti e Sistemi Digitali

Transcript

1 Introduzione al Flusso di Progetto di Circuiti e Sistemi Digitali Cristina Silvano Università degli Studi di Milano Dipartimento di Scienze dell Informazione Via Comelico 39/41, I Milano (Italy) Tel.: silvano@elet.polimi.it 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 1 Sommario Introduzione Evoluzione tecnologica Flusso di progetto Livelli di astrazione Linguaggi HDL (Hardware Description Language) 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 2

2 Introduzione La tecnologia microelettronica, basata sull utilizzo dei semiconduttori, ha subito un enorme evoluzione negli ultimi decenni. I circuiti VLSI (Very Large Scale Integration) realizzati con tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) costituiscono la tecnologia strategica per lo sviluppo dei sistemi digitali. Il continuo incremento del livello di integrazione dei dispositivi microelettronici ha permesso la realizzazione di sistemi di complessità crescente. Principali settori di mercato: Sistemi di elaborazione Telecomunicazioni Elettronica di consumo Automotive Automazione 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 3 Microfotografia di un dispositivo VLSI 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 4

3 Esigenze del mercato microelettronico Utilizzare le più avanzate tecnologie sub-micrometriche per mantenere elevate prestazioni. Ridurre costi di progetto e di fabbricazione per mantenersi competitivi sul mercato. Accorciare i tempi di progetto per rispettare il time-to-market del prodotto. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 5 Introduzione (cont.) L elevato livello di integrazione implica: Aumento delle prestazioni Riduzione dei costi Aumento dell affidabilità Analisi valida nell ipotesi che i volumi di vendita del circuito siano abbastanza elevati da recuperare i costi di progetto e di fabbricazione. Esempio: microprocessori general-purpose. Alcune applicazioni richiedono circuiti integrati dedicati o ASIC (Application Specific Integrated Circuit) non prodotti in alti volumi poiché specializzati a compiere un limitato insieme di operazioni. Altre applicazioni richiedono circuiti integrati programmabili o FPGA (Field Programmable Gate Array) personalizzabili on-site dopo la produzione del dispositivo. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 6

4 Esempi di circuiti microelettronici Processori general-purpose caratterizzati da: Volumi di vendita elevati Prestazioni elevate Progettazione FULL-CUSTOM Circuiti ASIC caratterizzati da: Volumi di vendita medi Diversi livelli di prestazioni Adatti ad applicazioni dedicate Progettazione SEMI-CUSTOM 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 7 Tempi di sviluppo La rapida evoluzione tecnologica del mercato microelettronico rende un circuito rapidamente obsoleto. Riduzione del time-to-market di un circuito o sistema digitale Riduzione dei tempi di sviluppo. Aumento del livello di qualità e affidabilità richiesto al prodotto. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 8

5 Principali requisiti del mercato Livello di integrazione Complessità progettuale Prestazioni Dissipazione di potenza Affidabilità Time-to-market Costi Volumi di produzione Importanza strategica delle metodologie e dei tool CAD (Computer Aided Design) o EDA (Electronic Design Automation) per raggiungere gli obiettivi di progetto nel rispetto dei tempi di sviluppo. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 9 Principali trend dell industria microelettronica Miglioramenti tecnologici Riduzioni dell area di silicio Maggiori prestazioni Maggior numero di transistor su un singolo chip Maggiore livello di integrazione Maggiore complessità dei sistemi Riduzione dei costi Maggiore affidabilità 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 10

6 Livelli di astrazione Definiscono i livelli di dettaglio della descrizione Livello Sistema Livello Comportamentale o Behavioral Livello Architetturale o RT (Register Transfer) Livello Logico Livello Circuitale o Transistor Livello Geometrico o Layout 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 11 Livello Sistema Esempio: Sistema di elaborazione composto da processore, memoria e dispositivi di ingresso/uscita. Computer Processor Memory Devices Control Input Datapath Output 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 12

7 Livello Comportamentale o Behavioral Rappresentazione algoritmica della funzionalità di un modulo o componente del sistema. Esempio: Selettore o multiplexer -- modello comportamentale -- begin if (SEL='0') then Z <= A; else Z <= B; end if; end;,qjuhvvl 8VFLWD 6(/ $ % = 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 13 Livello Architetturale o RT (Register Transfer) Rappresentazione a livello di trasferimento tra registri. D D Q Q CLK CLK 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 14

8 Livello Logico Rappresentazione a livello di componenti (ad esempio porte logiche elementari e registri) e loro interconnessione. Esempio: A B C D Q CLK Esempio: Simbolo di un componente inserito in un contesto gerarchico. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 15 Livello Logico Esempio: Schema logico complesso 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 16

9 Livello Circuitale o Transistor Rappresentazione a livello di transistor e loro interconnessioni Esempio: cella di memoria SRAM (Static Random Access Memory). word bit bit 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 17 Livello Layout Rappresentazione delle geometrie delle maschere tecnologiche relative a transistor, condensatori, resistenze e alle loro interconnessioni. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 18

10 Livello Layout 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 19 Livello Layout 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 20

11 Esempio di diverse descrizioni di una porta logica NAND Vdd A B Out Out A B Out B A 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 21 Fasi di sviluppo di un circuito VLSI Progettazione: Modellizzazione Sintesi e ottimizzazione Validazione Fabbricazione: Fabbricazione delle maschere Fabbricazione dei wafer Testing Packaging Slicing del wafer Packaging 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 22

12 Progettazione Modellizzazione: Hardware Description Language (HDL) Diagramma di Flusso Schematico o Schema Logico Grafo di Transizione degli Stati o State Transition Graph (STG) Sintesi e ottimizzazione: Raffinamento del modello Validazione Verifica di correttezza e completezza del modello originale. Verifica della consistenza dei modelli sviluppati durante le successive fasi di progetto. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 23 Criteri di ottimizzazione dei circuiti VLSI Prestazioni Ciclo di clock Ritardo o Latenza Throughput (per applicazioni pipeline) Area Consumo di potenza Testabilità Affidabilità 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 24

13 Criteri di ottimizzazione dei circuiti VLSI Molto spesso occorre raggiungere un ottimizzazione congiunta secondo diversi criteri: Minimizzare l area sotto vincoli di ritardo Minimizzare il ritardo sotto vincoli di area Minimizzare il ritardo sotto vincoli di consumo di potenza 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 25 Metodologia di progetto top-down La progettazione di un sistema complesso può essere realizzata adottando una metodologia di progetto top-down. La metodologia top-down viene realizzata attraverso un metodo di progetto incrementale. Un flusso di operazioni viene ripetutamente applicato ad un progetto fino a raggiungere il più basso livello di astrazione Modello meno Dettagliato Raffinamento del Modello Modello piu Dettagliato 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 26

14 Metodologia di progetto top-down La metodologia di progetto top-down può essere applicata come un ciclo di fasi di simulazione e sintesi a partire da una descrizione comportamentale del sistema. Validazione della correttezza e completezza del modello iniziale ad alto livello. Una volta simulata per verificarne la correttezza, questa descrizione subisce un processo di raffinamento del modello durante il quale sono aggiunti maggiori dettagli. Validazione delle consistenza dei modelli sviluppati durante le successive fasi di progetto. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 27 Flusso di Progetto di un circuito VLSI Requisiti di Progetto Specifica Funzionale Modello Comp. Simulazione Sintesi Comp. Modello RT Simulazione Stimoli Sintesi Logica Modello Logico Simulazione 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 28

15 Flusso di Progetto di un circuito VLSI (cont.) Sintesi Circuitale Modello Circ. Simulazione Sintesi Fisica Modello Fisico o Layout Simulazione Stimoli ASIC o FPGA 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 29 Vantaggi della progettazione ad alto livello Possibilità di gestire progetti più complessi. Riduzione dei tempi di progettazione. Riduzione degli errori (correttezza per costruzione). Possibilità di analisi trade-off costi/prestazioni. Ampliamento del numero di utenti alla progettazione. Possibilità di documentare il processo. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 30

16 Linguaggi per creare modelli di progetti HW Hardware Description Languages (HDLs) Verilog VHDL: VHSIC Hardware Description Language - VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 31 VHDL Nato negli anni 80 come progetto del U.S. Department of Defense. Version 7.2: prima versione pubblica del linguaggio disponibile nel IEEE Std : primo standard completo del linguaggio. IEEE Std : versione aggiornata del linguaggio rilasciata nel IEEE Std 1164: definisce un package standard per il tipo di dato MVL9 (Multi Valued Logic, 9 valori). 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 32

17 Il processo di modellizzazione in VHDL Lo sviluppo di un modello VHDL a partire dalla specifica concettuale avviene attraverso un processo di raffinamento basato sulla ripetizione delle fasi di compilazione, analisi e simulazione. Compilazione Analisi Analisi Simulazione La specifica concettuale consiste in una descrizione: dell INTERFACCIA del componente; della FUNZIONALITA del componente. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 33 Struttura di un modello VHDL Design Entity Entity Declaration INTERFACCIA Architecture Body FUNZIONALITA 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 34

18 Design Entity L unità di base di un modello VHDL consiste nella Design Entity, che può rappresentare un intero sistema, una PCB (Printed Circuit Board), un circuito integrato oppure una porta logica elementare. La Entity Declaration definisce l interfaccia del modello. L Architecture Body definisce la funzionalità del modello. All interno di un modello VHDL, ad una stessa Entity Declaration possono corrispondere diverse Architecture Body. Un modello VHDL può essere creato a diversi livelli di astrazione (behavioral, dataflow, structural) secondo un processo di raffinamento del modello iniziale. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 35 Modello VHDL DESCRIZIONE COMPORTAMENTALE o BEHAVIORAL supporta descrizioni algoritmiche; DESCRIZIONE FLUSSO DATI o DATAFLOW supporta descrizioni a livello di trasferimento del flusso dati tra registri. DESCRIZIONE STRUTTURALE o STRUCTURAL supporta descrizioni di strutture composte dall interconnessione di componenti di livello gerarchico inferiore. DESCRIZIONE MISTA 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 36

19 Struttura di un modello VHDL Ad una singola interfaccia di un modello VHDL possono corrispondere diverse Architecture Body ciascuna descritta ad un diverso livello di astrazione (comportamentale, dataflow, strutturale o mista) Ogni diversa architettura rappresenta una diversa realizzazione della stessa funzionalità del modello per mettere in luce un diverso aspetto progettuale cioè fornisce una diversa implementazione di una stessa funzionalità. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 37 Struttura di un modello VHDL Design Entity Entity Declaration Arch. A Arch. B 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 38

20 Concetti base del VHDL Supporta descrizione della funzionalità del modello a diversi livelli di astrazione. Concorrenza: le strutture hardware sono intrinsecamente concorrenti e composte dall interconnessione di componenti elementari. Il concetto di concorrenza supportato sia dai modelli strutturali sia dal concetto di processi multipli concorrenti tra loro. Supporta istruzioni sequenziali all interno di un processo. Gerarchia: data la complessità progettuale occorre organizzare il progetto su diversi livelli gerarchici, che possono essere descritti a diversi livelli di astrazione. Temporizzazioni: necessità di modellizzare l andamento temporale dei segnali attraverso la descrizione di forme d onda. 3/7/01 Cristina Silvano - Università degli Studi di Milano 39