1

Elementy cyfrowe i układy

logiczne

Wykład 5

2

2

2

2

Legenda

Procedura projektowania

Podział układów VLSI

2

3

3

3

3

Procedura projektowania

Specyfikacja

Napisz, jeśli jeszcze nie istnieje,

specyfikację układu.

Opracowanie opisu formalnego

Wygeneruj tablicę prawdy lub początkowy zestaw

równań boolowskich, które definiują wymagane

zależności między wejściami a wyjściami układu.

Optymalizacja

Wykonaj dwupoziomową lub wielopoziomową

optymalizację. Narysuj schemat lub dostarcz listę połączeń

układu z wykorzystaniem bramek AND, OR, NOT.

Wybór i realizacja w technologii

Przekształć schemat logiczny lub listę połączeń w nowy schemat lub nową listę

połączeń zgodnie z wymaganiami dostępnej technologii implementacji układu.

Weryfikacja

Sprawdź poprawność

końcowego projektu.

4

4

4

4

Wyświetlacz segmentowy

Przykład: Projekt dekodera kodu BCD na kod

wyświetlacza 7-segmentowego

Wyświetlacz diodowy zbudowany z 7 segmentów
LED

(dioda

elektroluminescencyjna).

Każdy

segment może zostać podświetlony za pomocą
sygnału cyfrowego. Dekoder BCD na podstawie
cyfry dziesiętnej w kodzie BCD generuje sygnały
wyjściowe

dla

poszczególnych

segmentów

wyświetlacza.

Specyfikacja:

3

5

5

5

5

Wyświetlacz segmentowy

Opracowanie opisu formalnego:

Wejście BCD

Dekoder 7-segmentowy

A

B

C

D

a

b

c

d

e

f

g

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

0

1

1

Wszystkie

pozostałe

0

0

0

0

0

0

0

6

6

6

6

Wyświetlacz segmentowy

Optymalizacja:

CD

AB

00

01

11

10

00

01

11

10

0

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

a =

ABC

+

ABD

+

AC

ABD

+

C

B

A

CD

A

D

C

A

B

A

b

+

+

+

=

C

B

A

D

C

B

D

A

B

A

c

+

+

+

=

D

C

B

A

C

B

A

D

C

B

C

B

A

D

C

A

d

+

+

+

+

=

D

C

B

D

C

A

e

+

=

C

B

A

D

B

A

D

C

A

C

B

A

f

+

+

+

=

C

B

A

C

B

A

C

B

A

D

C

A

g

+

+

+

=

4

7

7

7

7

Wyświetlacz segmentowy

Optymalizacja:

Niezależna implementacja: AND – 27, OR – 20

Wspólne iloczyny: AND – 14

Przykład kończymy na optymalizacji

dwupoziomowej.

Można jeszcze zredukować liczbę wejść

bramkowych dzięki zastosowaniu optymalizacji

wielopoziomowej.

8

8

8

8

VLSI

5

9

9

9

9

Podział układów VLSI

VLSI

wielkie

standardy

ASIC

full-custom semi-custom

PLD

(EPROM)

standard-cells

gate-array

10

10

10

10

Podział układów

Wielkie standardy

- układy produkowane głównie z

inicjatywy

producenta.

Są

to

rodziny

układów

mikroprocesorowych i układów pamięciowych.

ASIC-

(application specific integrated circuits) - to

układy produkowane na zamówienie klienta.

6

11

11

11

11

Podział ASIC

układy na zamówienie z pełnym cyklem projektowania (full-custom):

Wykonywany jest cały projekt układu wraz ze szczegółami związanymi z rozplanowaniem
układu. Ze względu na wysokie koszty, metoda ta jest uzasadniona dla układów gęsto
upakowanych, szybkich i sprzedawanych w wielkich ilościach.

układy na zamówienie z ograniczonym (niepełnym) cyklem projektowania
(semi-custom)

, a w tym:

a) układy wykorzystujące komórki standardowe (standard-cells)
b) układy na płytkach wstępnie przygotowanych jak matryce

bramek AND (gate arrays)

Wymaga mniejszych nakładów finansowych; układ o mniejszej gęstości upakowania,
wolniejszy od układów full-custom.

układy programowane przez użytkownika

:

a) programowalne układy logiczne (programmable logic devices- PLD)
b) mikroprocesory jednoukładowe z pamięcią reprogramowalną

EPROM

12

12

12

12

Komórki

W

przypadku

technologii

z

niepełnym

cyklem

projektowania i technologii opartych na matrycach
bramkowych układy są konstruowane przez połączenie

komórek

.

Biblioteka komórek

– zbiór komórek dostępnych dla

danej technologii implementacji. Każda komórka jest
dokładnie

opisana.

Biblioteka

opisanych

komórek

stanowi fundament procesu wyboru i realizacji układów
w określonej technologii (ang. technology- mapping).

7

13

13

13

13

Specyfikacja komórek

• Schemat logiczny funkcji realizowanej przez komórkę.
• Wymagania dotyczące powierzchni zajmowanej przez komórkę,

często znormalizowanej względem powierzchni małej komórki
(np. inwertera).

• Obciążenie wejściowe, wyrażone w obciążeniach standardowych.
• Opóźnienia sygnału z każdego wejścia komórki do każdego

wyjścia komórki.

• Jeden lub wiele przykładowych zastosowań komórki.
• Jeden lub wiele modeli komórki w postaci opisów w HDL.
A także (opcjonalnie, jeśli narzędzie automatycznie generuje

rozmieszczenie elementów układu):

• Rozmieszczenie elementów układu scalonego dla komórki.
• Plan rozmieszczenia wejść, wyjść oraz połączeń zasilania i masy

komórki.

14

14

14

14

Przykład biblioteki komórek

8

15

15

15

15

Przykład biblioteki komórek

16

16

16

16

Procedura konwersji AND-OR

do NAND (NOR)

Krok 1:

Zastąp każdą bramkę AND i OR bramką

NAND (lub NOR) i inwerterem:

Krok 2:

Wyeliminuj wszystkie pary inwerterów.

9

17

17

17

17

Procedura konwersji AND-OR do

NAND (NOR)

Krok 3:

Nie zmieniając funkcji logicznej:

(a) „przepchnij” wszystkie inwertery leżące między wejściem układu

lub sterującym wyjściem bramki NAND (NOR) a sterowanymi
wejściami bramek NAND (NOR) w kierunku sterowanych wejść
bramki NAND (NOR); po wykonaniu tej operacji, jeżeli to
możliwe, usuń wszystkie pary szeregowych inwerterów;

X

X =

18

18

18

18

Procedura konwersji AND-OR

do NAND (NOR)

(b) zastąp inwertery połączone równolegle jednym

inwerterem,

który

przejmie

wszystkie

wyjścia

inwerterów równoległych;

(c) powtarzaj kroki (a) i (b), dopóki między wejściem

układu lub sterującym wyjściem bramki NAND
(NOR) a sterowanymi wejściami bramek NAND
(NOR) nie pozostanie co najwyżej jeden inwerter.

10

19

19

19

19

Przykład – NAND

(

)

(

)

E

D

AB

C

AB

AB

F

+

+

+

=

K

b

=12; 3 poziomy

20

20

20

20

Przykład – NOR

(

)

(

)

E

D

AB

C

AB

AB

F

+

+

+

=

Inwerter nr 1

„przepchnąć”

za pkt. X

K

b

=14; 5 poziomów

11

21

21

21

21

Koniec

Dziękuję za uwagę