WYKŁAD nr 3 - UKŁADY LOGICZNE

Technologie współczesnej mikroelektroniki

• Przenikanie się oprogramowania i sprzętu tzw. Soft-Hardware

• Zastosowanie metod komputerowego wspomagania projektowania złożonych układów (CAD - Computer Aided Design)

• Korzystanie z języków specyfikacji sprzętu tzw. Hardware Description Language zamiast składaniu z dostępnych komponetnów

Tranzystor

• Tranzystor unipolarny (FET) i bipolarny

• Metal-Oxide-Semiconductor FET

• Dren oraz źródło - silnie domieszkiwane obszary z doprowadzonymi kontaktami

• Przepływ prądu pomiędzy źródłem, a drenem występuje po przez kanał

• Sterowanie prądem następuje po przez zmiany napięcia bramka- źródło

• Stany tranzystora:

• Nasycony: U_DS >= U_DSsat

• Nienasycony: U_DS < U_DSsat

• U_{DSsat =} U_{GS -} U_T

Tranzystory MOS

• Tranzystory tego typu charakteryzują się:

• małym poborem mocy,

• odpornością na zakłócenia

• dużą częstotliwością przełączania

• Prostą konstrukcją - duże możliwości miniaturyzacji

CMOS - Complemenrtary MOS

• Technologia półprzewodnikowa krzemowych układów scalonych

• Układy zbudowane z tranzystorów MOS

• Połączone w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden

• Układ nie pobiera w stanie jałowym prądu

• Problem przy wysokich częstotliwościach - przeładowywanie pojemności

• Bardzo tanie w realizacji

• Zapewniają dużą gęstość tranzystorów - w nowoczesnych układach powierzchnia tranzystora to 1um

• Niewystarczająca szybkość przełączania CMOS - zastępują je rozwiązania na arsenku galu

Miniaturyzacja układów

• Minimalny wymiar charakterystyczny - głównym wyznacznikiem stopnia miniaturyzacji

• Minimalny wymiar charakterystyczny definiowany jest przez rozdzielczość procesu litograficznego i procesu trawienia

• MWC - przeważnie jest to wymiar pojedynczego tranzystora MOS

• W drugiej połowie '90 powszechnie przemysłową technologią była 0,35um, przy średnicy podłoża 200 nm

Proces wytwarzania mikroprocesorów

• Wykonanie monolitycznego krzemowego walca

• Pozbawienie walca wszelkich zanieczyszczeń po przez proces odwirowywania

• Cięcie walca na części - najczystsze są wewnętrzne części tzw. wafla (ang. silicon wafer)

• Pokrycie wafla warstwami domieszek

• Przeprowadzenie procesu litografii

• Przykrycie warstwą miedzi, która będzie stanowiła serię wyprowadzeń

• Cięcie wafla w celu uzyskania rdzeni procesorów

Proces litografii

• Wyrysowanie na płytce krzemu pokrytej światłoczułym lakierem

• Naświetloną część lakieru łatwo zmyć odkrywając części do wytrawienia

• Maszyną do litografii jest skaner litograficzny

• Wykorzystywany efekt przesunięcia fali

• Prowadzone badania nad długościami fali światła pozwalające produkować tranzystory o 0,07 mikrona

Clean Room

• Zachowanie wysokiej czystości

• Norma ISO 14644-1: 2 cząsteczki wielkości 2um na 1 metr sześcienny

• Żółty kolor oświetlenia utrzymywany ze względu na procesy litograficzne

Technologie układów programowalnych

• Rozwój technologii pozwolił na budowę układów programowalnych przez użytkownika tzw. PLD/FPGA

• Ulepszenie procesu technologicznego:

• redukowaniu wymiarów elementów półprzewodnikowych

• zwiększenie liczby warstw metalizowanych połączeń

• powstanie nowych technik programowania

• FPLD (Field Programmable Logic Devices) - układy z możliwością programowania i rekonfiguracji

• Technologie wykorzystywane do tworzenia FPLD: pamięć SRAM, FLASH i ROM

• Są to odpowiednio zorganizowane systemy pamięci pozwalające realizować zmienne funkcje przetwarzania

• Aktualnie układy FPLD pozwalają realizować projekty o złożoności kliku milionów bramek

• Możliwość rekonfiguracji statycznej i online pozwalającej zmienić strukturę w trakcie działania

FPGA w rzeczywistości

Cechy układów PLD/FPGA

• Układy produkowane w dużych seriach: niska cena, wysoka jakość

• Nie jest wymagane zamawianie ich u producenta (w przeciwieństwie do układów ASIC)

• Układy nie realizują żadnej specyficznej funkcji

• W porównaniu do procesorów układy te oferują: większą szybkość, niższy koszt i wyższą niezawodność

• Słabo nadają się do realizacji bardzo złożonych systemów

Zastosowanie FPGA/PLD

• Aparaty i urządzenia produkowane w małych seriach

• Zastępowanie układów małej i średniej skali integracji

• Zastosowanie wymagające wielokrotnego programowania:

• Prototypy, emulatory, symulatory

• Programowalne i rekonfigurowalne koprocesory, procesory specyficzne

• Kontrolery wymagające adaptacji

Metody komputerowego wspomagania projektowania

• Narzędzia te umożliwiają:

• Modelowanie

• Budowę wirtualnych prototypów

• Symulację i analizę

• Automatyczną syntezę

• Wykorzystywanie gotowych projektów (desing reuse): rdzeni mikroprocesorów, mikrokontrolerów, procesorów sygnałowych, etc …

• Przykłady ALTERA MAXII+

Komputerowe wspomaganie projektowania układów

• Problem: gęstość upakowania elementów w najnowszych układach sięga 100 mln tranzystorów/10 mln bramek

• Wykorzystanie komputerowych systemów projektowania

• Stworzenie języków opisu sprzętu (Hardware Description Language)

• Narzędzia te umożliwiają:

• Modelowanie

• Budowę wirtualnych prototypów

• Symulację i analizę

• Automatyczną syntezę

• Wykorzystywanie gotowych projektów (desing reuse): rdzeni mikroprocesorów, mikrokontrolerów, procesorów sygnałowych, etc …

Hardware Description Langauge

• Umożliwienie projektantowi układów scalonych opisywanie: funkcji, struktury i parametrów na wyższym poziomie abstrakcji

• Specyfikacja powinna zapewniać opis:

• zachowania systemu

• ograniczeń strukturalnych i fizycznych

• System powinien umożliwić symulację oraz animację modelowanego systemu w celu analizy lub weryfikacji różnych charakterystyk

• Języki HDL znacznie bardziej skomplikowane niż języki programowania

• Opis zawiera skomplikowane informacje na temat struktury i parametrów

• Układy wykonują operacje współbieżne na bardzo niskim poziomie abstrakcji (w programowaniu dane w układach przetwarzane są szeregowo)

• Postanie koncepcji produktu wirtualnego

• Biblioteki funkcjonalne

Synteza układów

• Specyfikacja układu w języku HDL

• Kompilacja do opisu przesłań rejestrowych

• Kompilacja do poziomu sieci logicznej

• Synteza i optymalizacja logiczna

• Odwzorowanie technologiczne

• Synteza fizyczna lub programowanie układu

Układy kombinacyjne

• Podstawowy układ logiczny umożliwiający realizacje funkcji boolowskich

• Składa się z elementów logicznych

• Jest elementem złożonych układów cyfrowych

Funkcja boolowska

• Odwzorowanie zbioru wektorów (ciągów binarnych) z X w zbiór wektorów Y, gdzie X i Y są podzbiorami n-krotnego iloczynu kartezjańskiego B={0,1}

Funkcja boolowska

• może być przedstawiona w postaci tablicy o n+1 kolumnach i 2ⁿ wierszach

• W kolejnych wierszach zapisywane są wszystkie wartości ciągu x1, x2, … xn, czyli wszystkie wektory x

• W ostatniej kolumnie podana jest wartość Y

• Funkcję można zapisać podając zbiory wektorów dla których funkcja przyjmuje odpowiednie wartości

• F={x: f(x)=1}

• R={x: f(x)=0}

• D={x: f(x)=-}

Funkcje boolowskie

• Reprezentacja funkcji boolowskich w postaci formuł ułatwia realizację elementów logicznych (bramki logiczne)

• Operatory: AND, OR, NOT

• Przykład formuły

Synteza dwupoziomowa

• Zaletą formuł boolowskich jest możliwość upraszczania wyrażeń, a co za tym idzie minimalizacji liczby wykorzystanych bramek

• Upraszczanie zgodnie z prawami alegebry Bool'a

• Możliwość reprezentacji funkcji za pomocą różnych wyrażeń boolowskich - reprezentacja formułami równoważnymi

• Najprostszy sposób to:

• Generacja implikantów

• Slekecja implikantów prostych

• Jest to jednak najbardziej złożony algorytm, gdyż należy do zbioru problmów NPZupełnych

Dekompozycja

• Transformacja pojedynczego wyrażenia na zbiór kilku nowych wyrażeń

Układy sekwencyjne

• Modelem układu sekwencyjnego jest automat.

• Definicja automatu:

• Zbiór liter wejściowych X i wyjściowych Y

• Zbiór stanów wewnętrznych S

• Funkcja przejść

• Funkcja wyjść

• Automaty Mealy'ego i Moore'a