Projecto de Sistemas Digitais

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1 Projecto de Sistemas Digitais Licenciatura em Engenharia Electrotécnica Faculdade de Ciências e Tecnologia Slide 1 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

2 Tópicos: Conceitos Fundamentais de Projecto de Sistemas Digitais As correntes tecnologias programáveis disponíveis para projecto de sistemas digitais Os vários passos de desenvolvimento de projecto Metodologia de desenvolvimento Projecto orientado para o baixo consumo de energia Slide 2 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

3 Mais... Sistemas Digitais - Porquê? O domínio de aplicação da electrónica digital é, neste anos mais recentes, muito extensa. Slide 3 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

4 Um Domínio de Aplicação da Electrónica Digital Processador Memória Dispositvos Control Input Datapath Output Slide 4 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

5 Panorâmica sobre os componentes de um Sistema Circuitos Impressos Sub-estrato para suporte dos circuitos integrados, a sua alimentação, interconexão e dissipação de calor. Circuitos Integrados Elementos processadores de informação, elemntos de memória e interfaces com outros dispositivos. Fontes de Alimentação Converte a tensão de linha AC em tensão DC regulada que alimentará os ICs. Caixa de suporte (rack, card case,...) Suporte mecânico dos dispositivos, fonte de alimentação, fichas the conexão e interfaces com outros sistemas. Conectores e Cabos. Slide 5 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

6 Placas de Circuito Impresso Placa de fibra de vidro ou de cerâmica camadas condutoras. Furose zonasde inter-conexão. Os circuitos integrados são soldados nas zonas de inter-conexão. Modulos multichip Múltiplos circuitos integrados inter-ligados num sub-estrato de suporte (silício, cerâmica, plástico, fibra de vidro). Slide 6 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

7 Circuitos Integrados Chip Silício primário 1mm - 25mm de largura M transistors (25-25M "gates") 3-10 conductive layers tamanho médio gate (2002) ~ 0.13um = 0.13 x 10-6 m Embalagem do Chip Mais vulgar CMOS- complementary metal oxide semiconductor A embalagem serve para: Interligar os sinais ao nível do chip com os sinais ao nível da placa de circuito impresso. Dissipar o calor. Cerâmica ou plástico com fios de ouro. Slide 7 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

8 Circuitos Integrados Inovação na tecnologia para as últimas 3 décadas. Número de transistors num die aumenta cerca de 10 vezes cada ~6 anos. Actualmente este factor tem aumentado e verificamos muitas mais inovações tecnológicas As empresas definem estratégias de mercado sustentadas neste princípio. Slide 8 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

9 Tendência para Performance em µp x /ano DEC HP SunMIPS MIPS IBM AXP/ 9000/ -4/ M M/ RS/ DEC Alpha 21264/600 DEC Alpha 5/500 DEC Alpha 5/300 DEC Alpha 4/266 IBM POWER 100 Aumento de performance dos Processores/Ano Slide 9 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

10 Desenho e Arquitectura de um µp as duas vertentes Conjunto de instruções Programação da Máquina Perspectiva do projectista dos Compiladores Perspectiva do projectista do Sistema Operativo (módulos constituintes do Computador) Computadores Hardware do Computador Realização da Máquina Perspectiva de projecto Hardware Arquitectura do Processador Slide 10 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

11 Níveis de Projecto Co-ordenação dos níveis de abstracção Aplicação Compilador Sistema de Operação Processador do Conjunto de Instruções Arquitectura do Conjunto de Instruções Projecto Digital Projecto do Circuito Electrónico Slide 11 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

12 Circuitos Digitais e Sua Aplicação Utilização de circuitos digitais : microprocessadores - desktop PCs e sistemas embebidos - projecto do sistema é simples (concentrado no desenvolvimento de software) Chips de memória (DRAM, SRAM) Aplicações específicas (ASICs) - Projectado para ser utilizado numa aplicação específica - Poderá ser optimizado para baixo-consumo, baixo-custo, alta-performance - Custo de projecto alto Field Programmable Logic Devices (FPGAs, CPLDs) - Pode ser feito à medida de uma aplicação particular - Pequenotime to market - Custo de projecto moderado Componentes standard e de baixa densidade - Ainda se utilizam em interfaces e para manter compatibilidade com sistemas antigos Slide 12 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

13 Circuitos Disponíveis para Realizar Lógica Digital Operacionalidade interna definida pelo utilizador ASIC - Application Specific Integrated Circuits CPLDs (Complex Programmable Logic Device) FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) O utilizador faz a programação do dispositivo com um dispositivo apropriado A função do dispositivo definida pelo utilizador, é construída no momento do fabrico do dispositivo Operacionalidade definida a nível geometria e layout do substracto para o VLSI e transístors. Este desenvolvimento é mais moroso (projecto+teste) mas justifica-se para dispositivos de grande consumo : - Memória e microprocessadores. Slide 13 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

14 Standard Logic Progammable Logic (FPLDs) Digital Logic ASICs Full Custom TTL 74xx CMOS 4xxx PLDs FPGAs CPLDs Microproce ssor & RAM Gate Arrays Standard Cell Tecnologias de Lógica Digital. Slide 14 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

15 ASIC - Application Specific Integrated Circuit Gate Arrays Agrupamentos ( arrays ) de módulos (F-Flops e algumas portas lógicas) pré-manufacturados No processo de fabrico é realizada a interligação dos vários módulos necessários para a realização da função. Standard Cells O fabricante combina as várias máscaras fotográficas (e necessárias ao fabrico do circuito) que realiza a função definida pelo utilizador. Para produtos com tempo de vida mais longo e maiores volumes de fabrico, esta solução conduz a menor custo por unidade do que a solução com CPLDs ou FPGAs. Slide 15 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

16 PLDs - Programmable Logic Devices PALs (Programmable Array Logic) PLAs (Programmable Logic Arrays) PLDs (Programmable Logic Devices) Substituem facilmente os circuitos TTL standard ASICs e circuitos especialmente projectados permitem maiores frequências de relógio do que os circuitos CPLDs e FPGAs. As interligações são ajustadas para o circuito desejado, ao contrário dos circuitos programados Custo económico de um projecto de um projecto com ASIC>> CPLD (ou FPGA) Slide 16 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

17 Panorâmica de uma FPGA Ideia básica: uma tabela bi-dimensional de blocos lógicos e flip-flops em que é possível configurar o seu funcionamento através de: 1. inter-conexão entre blocos lógicos, 2. Ajuste da função de cada bloco. Versão simplificada da arquitectura interna de uma FPGA Slide 17 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

18 Exemplos com grande densidade Slide 18 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

19 Porquê FPGAs? No início de 1980 s muitos dos sistemas de circuitos lógicos eram realizados com imensos circuitos lógicos standard - large scale integrated circuits (LSI). Microprocessadores, controladores de bus/io, timers,... Actualmente os sistemas ainda necessitam de alguma glue logic que permite a ligação de grandes ICs e ainda: gerar sinais de controlo globais (para resets etc.) Formatação de dados (série para paralelo, multiplexagem, etc.) Slide 19 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

20 Porquê FPGAs? ICs feitos por encomenda (ASIC) são por vezes projectados para substituirem uma grande quantidade de lógica Um único circuito integrado reduz a complexidade e os custos de manufacturação do sistema, podendo melhorar também a sua performance. A concepção de ICs por encomenda é dispendiosa e, em geral, provoca atrasos na introdução do produto no mercado pelo tempo consumido no desenvolvimento (time to market TTM). Nota: nestes sistemas existem dois tipos de custos: 1. Custo de desenvolvimento, por vezes designado custo da engenharia não-recorrente (nonrecurring engineering - NRE) 2. Custo de manufactura Os custos têm taxas de crescimento diferentes, por número de unidades. total A costs B NRE number of units manufactured (volume) Slide 20 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

21 Porquê FPGAs? ASICs Os circuitos integrados feitos à medida (ASIC) são uma opção viável para: - Produtos com grande volume de produção, - Casos em que a NRE (Non-Recurring Engineering) pode ser amortizada, - Casos que não são sensíveis ao TTM (Time To Market). FPGA São uma alternativa aos circuitos integrados feitos à medida para realizar glue logic: - Aumento da densidade de circuitos - Prototipagem rápida com ajuda de ferramentas auxílio ao projecto (CAD) diminui NREs diminui TTM A designada Moore s law indica que a densidade (gates/area) das FPGAs continuará a crescer até ao ponto que grandes unidades de processamento serão possíveis realizar numa única FPGA. Slide 21 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

22 Porquê FPGAs? Speed, Density, Complexity, Market Volume needed for Product CPLDs FPGAs ASICs Full Custom VLSI Design PLDs Engineering Cost, Time to Develop Product Diferenças entre Tecnologias Digitais. Slide 22 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

23 Porquê FPGAs? As FPGAs continuarão a competir com os ICs à medida (ASIC) e também com os microprocessadores dedicados em aplicações embebidas. A performance alcançada (em termos de tempo de execução) será superior a de um circuito baseado num microprocessador. Quadro resumo: performance NREs Unit cost TTM ASIC ASIC FPGA ASIC FPGA FPGA MICRO FPGA MICRO MICRO ASIC MICRO ASIC = IC à medida, MICRO = microprocessor Slide 23 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

24 Variantes das FPGA As famílias das FPGA s diferem: formas de realizar a programação, formas de organização dos condutores de interconexão funcionalidade dos blocos lógicos A diferença mais significativa é a forma de disponibilizar os blocos e as conexões Fuse based (ex: Actel) + Não-volátil, pequena dimensão (não é reprogramável) Slide 24 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

25 Programação dos dispositivos Latch-based (Xilinx, Altera, ) latch + reconfigurável volátil relativamente grande. Latches são utilizadas para: 1. Realizar ou quebrar conexões na rede de interconexão 2. Definir as funções dos blocos lógicos 3. Afectar as opções desejadas pelo utilizador: - no interior dos blocos lógicos - Os blocos de input/output - reset/clock global configuration bit stream poderá ser carregado sob controlo do utilizador: Slide 25 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

26 Bloco Lógico Ideal da FPGA INPUTS Logic Block 4-LUT FF latch 1 0 set by configuration bit-stream OUTPUT 4-input "look up table" 4-input look up table (LUT) Realiza funções lógicas combinacionais Registo Opcionalmentearmazenaa saídadalut Slide 26 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

27 Realização da 4-LUT 16 latch latch latch INPUTS 16 x 1 mux n-bit LUT é realizada por uma memória 2 n x 1: a entrada escolhe uma da 2 n localizações de memória. a memória é carregada com valores dados pelo configuration bit stream. OUTPUT as entradas para controlo do mux são entradas CLB. uma n-bit LUT pode realizar qualquer função lógica de n entradas! latch Latches programmed as part of configuration bit-stream Slide 27 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

28 Fluxo de programação das FPGA Design Entry: Criar os ficheiros de projecto com: - um editor esquemático ou - linguagem de descrição de hardware (Verilog, VHDL) Design implementation : Partição, alocação, e encaminhamento de forma a gerar o configuration bit-stream file Processo gerado pelos sistemas CAD Design verification: Possibilitado pelo simulador do sistema CAD, Verificação da frequência máxima de relógio. Programação: Carrega a FPGA através de interface apropriado o tipo de dispositivo. Slide 28 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

29 Projecto de Sistemas Digitais Técnicas e metodologias de projecto Utilização de linguagens de representar os sistemas digitais (exemplo é a linguagem VHDL) Razões para utilização formas de representação com linguagens estruturadas, tal como VHDL/UML: Permite uma especificação de requisitos. Documentação. Possibilidade de teste por simulação. Permite uma verificação formal. Permite a síntese automática (realização física). Objectivo Processo de projecto eficaz, minimizando o custo dos erros e o custo da realização Slide 29 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

30 Domínios e Níveis de Representação do Projecto (I) Estrutural Funcional Alto nível de abstracção Baixo nível de abstracção Geometrica Slide 30 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

31 Domínios e Níveis de Representação do Projecto (II) Estrutural Funcional Algoritmo (behavioral) Linguagem Register-Transfer Expressão Boolean Expressão Diferencial Geometrica Slide 31 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

32 Domínios e Níveis de Representação do Projecto (III) Estrutural Troca Processador - Memória Register-Transfer Funcional Gate Transistor Geometrica Slide 32 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

33 Domínios e Níveis de Representação do Projecto (IV) Estrutural Funcional Polígonos Sticks Células Standard Plano Global do Circuito Geometrica Slide 33 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

34 Gráfico de Processo do Projecto Especificar Desenvolver e Explorar Refinar Slide 34 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

35 Projecto Orientado para o Baixo Consumo de Energia Tópicos Motivação para a redução do consumo de energia Métricas habituais Análise do consumo de energia em CMOS Como podemos projectar de forma diminuir a energia? Slide 35 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

36 É importante limitar o consumo de energia em electrónica? A internet e os serviços sem fios estão em convergência Slide 36 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

37 Motivos para projectar para baixo consumo de energia Dispositivos portáteis : Handhelds, laptops, telefones móveis, leitores MP3, câmaras, todos precisam de funcionar por períodos extensos de tempo, utilizando pequenas baterias Dispositivos que necessitem de carga regular ou baterias pesadas irão ser menos utilizados do que os dispositivos que não necessitam dessas baterias. O consumo de energia em dispositivos electrónicos (de utilização massiva) O custo do sistema está associado ao consumo de energia - Fontes de energia, distribuição, remoção de calor Interesses ambientais, conservar energia Slide 37 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

38 Tecnologias de Baterias A tecnologia de baterias tem evoluído muito lentamente As evoluções que se observam no domínio da integração e electrónica não se aplica à tecnologia de baterias Li-Ion e NiCd são as tecnologias que continuam a dominar As baterias continuam a contribuir, de forma significativa, para o peso dos dispositivos Nokia 61xx - 33% Handspring PDA -10% Toshiba Portege 3110 laptop - 20% Slide 38 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

39 Definições A fonte de energia fornece a energia necessária para os transistores comutarem, alterar o potencial e transmitir a energia ao longo de fios condutores. A energia fornecida é armazenada ou dissipada na forma de calor. P dw / Unidades: P dt Se a uma quantidade de carga diferencial dq é acrescida de uma energia diferencial dw, o potencial da carga é aumentada de: I = dq / dt dw dq dw / dt = = P = V dq dt Por definição de corrente: w = t Taxa de trabalho realizado por unidade de tempo. Taxa de energia que é utilizada. = E t Watt = Joule/segundo Pdt Energia total V = dw / Slide 39 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias I dq

40 Como podemos medir/comparar o consumo de energia? Uma métrica popular em microprocessadores é: MIPS/watt MIPS, millions of instructions per second. Watt, unidade standard de medida de potência. Métricas - Utilizado para comparar electrónica digital MIPS/watt reflecte a relação entre performance computacional e a potência. - Normalmente para aumentar a performance computacional é necessário aumentar a potência! Problema com a medida MIPS/watt - Os valores [MIPS/watt] não são independentes dos MIPS - A métrica é só relevante numa gama razoável de performance Umasolução, MIPS 2 /watt. Coloca mais peso na performance computacional. Slide 40 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

41 Métricas Como relacionar MIPS/watt com energia? Consumo médio de potência = energia / tempo MIPS/watt = (instructions/sec) / (joules/sec) = instructions/joule Uma métrica equivalente é a energia por operação [E/op] [E/op] é mais geral porque se aplica a outros dispositivos electrónicos Mais relevante porque se pode relacionar com a energia armazenada num acumulador de energia (por ex. bateria) Esta métrica permite definir uma forma de comparar duas formas alternativas de realizar uma função específica. Slide 41 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

42 Potência em CMOS Energia de Comutação: energia usada para comutar um nó de comutação Exemplo: Calcular a energia dissipada no pull-up : Vdd pullup network pulldown network 0 C i(t) 1 Vdd v(t) v(t) t0 t1 E sw = t t 0 1 P( t) dt = t t 0 1 ( V dd GND v) i( t) dt = t t 0 1 ( V dd v) c ( dv dt ) dt = = cv dd t t 0 1 dv c t t 0 1 v dv = cv dd 2 1 2cV dd 2 = 1 2 cv dd 2 Energia fornecida Energia armazenada Energia dissipada Uma quantidade igual de energia é dissipada no pulldown. Slide 42 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

43 Consumo em Comutação Consumo de energia numa gate : Assumir que a gate está a comutar a sua saída a uma taxa de: P = E 1/f t taxa comutação media E comuta Consequentemente: = P = α f cv media dd Factor de activitidade 2 α f clock rate Consumo médio por integrado: P media = n α media número de nós (ou gates ) f c media V dd 2 P media Pavg clock f Slide 43 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

44 Outras fontes de consumo de energia Vin Corrente de Curto-Circuito : Vout I Vout Vin I Vin=0 Escoamento de Ids : Ids Vout=Vdd Ioff Vth Vgs Escoamento de cargas : Vin 10-20% da potência total do integrado Condutância do transistor nunca é nula. ~3pWatts/transistor. ~1mWatt/chip I ~1nWatt/gate a mwatts/chip Regiões que escoam cargas para o substrato. Diode Characteristic V Slide 44 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

45 Controlar o consumo de energia Que controlo poderá ter o projectista? O componente que tem a maior contribuição para o consumo da energia é a potência necessária à comutação P media = n α media f c media V dd 2 Que controlo o projectista tem em cada factor? Qual o efeito de cada elemento no total da energia? Slide 45 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias

46 Sumário Conceitos Fundamentais de Projecto de Sistemas Digitais As correntes tecnologias programáveis disponíveis para projecto de sistemas digitais Os vários passos de desenvolvimento de projecto Metodologia de desenvolvimento Projecto orientado para o baixo consumo de energia - Motivação para a redução do consumo de energia - Métricas habituais - Análise do consumo de energia em electrónica digital - Factores que têm influência no consumo da energia? Slide 46 Projecto de Sistemas Digitais - LEEC 2004/05 Jorge Dias