Projecto de Circuitos e Sistemas Digitais (MEEC1078) Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. (Informática Industrial)

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1 Projecto de Circuitos e Sistemas Digitais (MEEC1078) Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Informática Industrial) Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores 1º ano, 1º semestre 1 Sistemas Digitais Importância crescente Cada vez mais áreas de aplicação Comunicações móveis Automóvel Computação pessoal Custo cada vez mais baixo PCs, telemóveis, equipamentos domésticos,... Tamanho físico gates/mm 2 Consumo de energia Alimentação eléctrica com baterias, telemóveis, computadores portáteis Projectar um SD if it wasn t hard they wouldn t call it hardware, J.F. Wakerly Ferramentas computacionais automatizam partes do projecto......mas a concepção tem de ser feita à mão 2

2 Fluxo de projecto (típico) Ideia luminoas um controlador para ligar de intensidade e desligar anguem luzes de entra casa sempre ou sai da que casota do tambem cao que um se gato chama que bobi se chama e tem 1 - receptor tareco 2 - um cpu para calculara luz 3 - interface de potência interface processador memória Concepção (especificação) desenho do circuito D Q Validação funcional Síntese (mapeamento tecnológico) D Q lixo Validação temporal implementação teste 3 Concepção Tecnologia de implementação Como vai ser construído o circuito? A decidir o mais cedo possível no ciclo de projecto Particionamento um sistema pode não caber num único componente (IC) divisão da funcionalidade em blocos selecção de componentes e tecnologia de montagem A/D memória I/O CPU co-proc. A/D µp ASIC RAM? funcionalidade rapidez disponibilidade número de pinos encapsulamento fabricante(s)?pcb COB MCM wire-wrap 4

3 Que tecnologia? Critérios a ter em conta acessibilidade (projecto e fabrico) custo de projecto e fabrico (prototipagem, produção) fiabilidade testabilidade rapidez Tamanho (área, número de gates ou transistores) consumo dissipação térmica compatibilidade electromagnética resistência mecânica 5 Ferramentas computacionais CAD/CAE (Computer Aided Design/Computer Aided Engineering) fundamentais para projectar em tempo útil circuitos complexos Vários problemas de optimização combinatória (NP-difíceis) geralmente não atingem soluções óptimas Baseadas em processos de optimização do tipo shake&hope para problemas de dimensão reduzida, um projectista pode fazer melhor mas à custa de mais tempo; justifica-se para partes pequenas. Ferramentas CAD/CAE para projecto de sistemas digitais trabalham com representações electrónicas de SDs (modelos) algumas ferramentas... captura esquemática (é mais do que desenhar um circuito lógico...) síntese (lógica, RTL, alto nível) mapeamento tecnológico desenho físico (layout), verificação de regras geométricas simulação lógica, verificação funcional, verificação temporal análise temporal análise eléctrica, análise térmica modelação e simulação de faltas, geração de vectores de teste 6

4 Modelos de circuitos digitais Representações electrónica de SDs usadas e transformadas por ferramentas CAD/CAE Um modelo é uma aproximação! que pode ser boa e pode ser má rigor detalhe aproximação da tecnologia a simulação de um modelo nunca é igual ao seu funcionamento real Modelos (mais frequentemente) tratados por humanos modelos estruturais (esquemáticos) detalham a estrutura do circuito, interligando componentes entre si nível do sistema, RTL, lógico ou dispositivo modelos comportamentais (HDLs, state charts, tabelas de verdade) descrevem o comportamento do sistema não contêm informação estrutural 7 Classificação de modelos: Y- chart estrutural processadores, memórias registos, muxs portas lógicas transistores dispositivo transferências entre registos expressões booleanas funções de transistores layout de transistores fluxogramas, algoritmos comportamental sistema RTL lógico níveis de abstracção células físico módulos, chips placas, MCMs 8

5 Especificação de um SD Tradicionalmente captura esquemática (modelo estrutural) interligação de portas lógicas, flip-flops, componentes RTL, bibliotecas de componentes específicas de uma tecnologia anotação do desenho com atributos nomes, parâmetros de componentes, restrições para implementação captura a estrutura (física) do circuito transformado de forma optimizada para a tecnologia alvo tabelas de verdade, expressões booleanas (modelo comportamental) conveniente para blocos de lógica combinatória ou FSMs minimização lógica codificação de estados representação textual, tradução automática para circuitos lógicos independente da tecnologia alvo de implementação 9 Especificação de um SD... e actualmente projecto a níveis de abstracção mais elevados representações comportamentais ao nível RTL e algorítmico linguagens normalizadas para descrição de hardware suportadas por ferramentas de síntese automática combinam modelação estrutural com comportamental permitem ao projectista abstrair-se da tecnologia alvo (mas não totalmente!) Portabilidade, facilidade de manutenção e documentação redução do ciclo de projecto permite explorar diversas alternativas com diferentes compromissos comparando com a programação de computadores... nível de abstracção crescente código máquina assembly C, Pascal layout portas lógicas HDLs 10

6 Estruturação do projecto Hierarquia e modularidade conceitos semelhantes aos empregues em programação estruturada objectivos: estruturação do projecto reutilização de componentes (sub-circuitos) facilitar a verificação do projecto simplificar a produção da documentação (geralmente esquecida!) quanta hierarquia? nem 8 nem 80! (como se faz em programação?) critérios principais: funcionalidade e complexidade dos módulos uma diferença importante da hierarquia empregue em software: não significa reduzir a complexidade do circuito. geralmente desaparece durante o projecto até ao nível lógico ou dispositivo 11 Metodologias de projecto Abordagens típicas bottom-up (capture-and-simulation) hierarquia criada de baixo para cima (lógico RTL sistema) ciclo de projecto: manual desenhar os circuitos mais simples (ou usá-los se já existirem) validar esses circuitos por simulação usá-los na construção de outros circuitos mais complexos top-down (describe-and-synthesize) hierarquia criada de cima para baixo (sistema RTL lógico) ciclo de projecto: automático especificar o sistema de forma comportamental sintetizar e avaliar as soluções resultantes de diferentes restrições na prática: top-down + bottom-up = meet-in-the-middle 12

7 Validação do projecto Simulação funcional verificação de uma especificação a um nível abstracto geralmente usados modelos unit-delay ou zero-delay verificar que é satisfeita a funcionalidade desejada se não funciona? detecção e depuração de erros (debug) problemas: como definir os vectores de simulação? como se sabe que o resultado é correcto? quão exaustivo é o teste? fontes de erro mais comuns é bom lembrar que os computadores não erram, os humanos sim mas são humanos que criam as ferramentas de software! especificações incompletas, ligações erradas ou nomes trocados uso incorrecto de ferramentas de síntese automática má gestão das versões de um projecto (save before quit? oops!) 13 Validação do projecto Análise temporal circuitos lógicos introduzem atrasos O modelo do circuito ainda funciona considerando os atrasos? qual é o desempenho (atrasos, frequência de relógio)? o que limita o desempenho? Como se pode aumentar? modelos de atrasos específicos de uma tecnologia dependem do circuito em que um componente se insere (fan-out) quanto mais completo é o modelo, mais complexa é a simulação tp LH, tp HL, t r, t f (mínimos, típicos e máximos) interligações também introduzem atrasos função do comprimento e da forma (30ps/cm no vazio) só são conhecidos após a implementação ao nível físico 14

8 Teste Teste do circuito fabricado testar para quê? minimizar ( 0%) o número de circuitos defeituosos vendidos detectar e diagnosticar defeitos de fabrico melhorar o sistema ou o processo produtivo como testar? construir um modelo de faltas do circuito criar vectores de simulação que as consigam detectar gerando saídas diferentes na presença ou ausência da falta ferramentas para ATPG - Automatic Test Pattern Generation o teste é uma fatia importante do custo de produção projecto orientado para a testabilidade (DfT - Design for Testability) auto-teste (BIST - Built-in Self Test) teste de PCB (boundary scan test, normas IEEE e IEEE1149.4) 15