Układy programowalne w technice cyfrowej

Układy programowalne w technice cyfrowej

Układy programowalne
w technice cyfrowej
Zakład Techniki Cyfrowej ITK
Dr inż. Jerzy Pasierbiński
Technika cyfrowa ?
Czyż nie jest wszechobecna?
Aż rodzi się podejrzenie, że ma się nieźle…..
nie tylko na Ziemi.
Technika cyfrowa
Przecież nie tak dawno, do
podstawowych środków
prezentacji należały:
• tablica,
• kreda,
• plansze,
• rzutnik pisma czy przeźroczy –
to były nowinki technologiczne.
A obecnie……..
Technika cyfrowa
Do jej rozwoju przyczynili się Ci naukowcy.
„……dane im było zapoczątkować rewolucję technologiczną, która
zmieniła Świat”
J.Redin – „A Tale of Two Brains”
Technika cyfrowa
Rejestrowanie, zapamiętywanie,
przetwarzanie, przesyłanie informacji
………………….
i wiele, wiele innych zadań z każdej
dziedziny życia realizuje się przede
wszystkim z zastosowaniem metod i
urządzeń techniki cyfrowej.
Technika cyfrowa
Najintensywniej wspiera
postęp techniczny w:
•
•
•
•
•
•
•
informatyce
telekomunikacji
astronautyce
automatyce
sprzęcie militarnym
metrologii
………
Technika cyfrowa
Taki oscyloskop, naszpikowany „cyfrówką”, naprawdę wiele może.
Ten model nie parzy jeszcze kawy, ale kto wie……….
Technika cyfrowa
Zadania mogą być realizowane:
• programowo – systemy mikroprocesorowe,
• sprzętowo – za pomocą układów cyfrowych,
• w sposób mieszany – programowo z wyspecjalizowanymi
koprocesorami układowymi.
Układy techniki cyfrowej
Obecnie są to przede wszystkim:
• Układy scalone dedykowane
określonym zastosowaniom – układy
ASIC - Application Specific
Integrated Circuits
•
Układy „szyte” na miarę potrzeb lub
dostosowywane do tych potrzeb programowalne
Układy ASIC – współczesne układy
cyfrowe
• Układy zindywidualizowane (układy typu Custom):
projektowane i wykonywane do określonego
zadania, wykonywane w pełnym cyklu
projektowym i technologicznym (Full Custom i
Semi Custom)
• Układy o wstępnie określonej strukturze logicznej i
połączeniowej, które mogą być ostatecznie
konfigurowane przez użytkownika, na jego
biurku – układy programowalne PLD
(Programmable Logic Devices)
Układy ASIC
Dla wyrobu produkowanego masowo:
• Układy typu Custom – duże koszty oraz długi
czas opracowania i przygotowania produkcji –
mały koszt jednostkowy układu.
Model, sprawdzenie koncepcji układu:
• Układy PLD – dostępność, krótki czas
przygotowania zaprojektowanego układu na
własnym biurku – duży koszt jednostkowy.
Układy ASIC - koszt opracowania
Układy ASIC - czas opracowania
Układy ASIC - taniej
Przygodę z układami ASIC można przeżyć także
za mniejsze pieniądze i dla kilku układów
prototypowych.
Wystarczy:
• komputerowa stacja robocza,
• oprogramowanie projektowe (np. Cadens lub
Mentor Graphics),
• trochę wiedzy i umiejętności.
Układy ASIC - taniej
Projekt układu (VHDL, EDIF, Layout) przesyła się do
producenta pojedynczych układów prototypowych.
Jedną z firm w Europie, świadczących takie usługi, jest
austriacka firma ASM (Austria Mikro Systeme), stosująca
technologię MPE (Multi Product Wafer).
Zaleca opis projektów w językach VHDL lub Verilog.
Koszt usługi kilka tysięcy dolarów za 10 sztuk
układów obudowanych.
Układy PLD - koszt i czas realizacji projektu
Suma:
• Cena systemu projektowego (rozłożona na wiele lat i
projektów),
• Cena układu PLD,
• Cena programatora (zazwyczaj kabel z buforami),
• Honorarium projektanta (kilka godzin pracy),
• Dla rozbudowanych układów cena gotowego projektu
(modułu bibliotecznego IP Core).
Możliwość wielokrotnego przeprogramowywania
układu i poprawiania projektu.
Układy PLD - koszt systemu
projektowego
• Do celów edukacyjnych
– dostępny bezpłatnie w Internecie
(prawie wszyscy producenci)
• Do zastosowań profesjonalnych
– zależnie od producenta, dostępnych
„narzędzi” i „obsługiwanych” układów
(od kilkaset do kilkudziesięciu tysięcy $)
Układy PLD – ceny układów
Cena rośnie wraz z możliwościami funkcjonalnymi,
gęstością upakowania i szybkością działania.
Najtańsze układy w cenie puszki piwa!
(Altera: EPM3032ATC44-10 cena netto 3,29zł)
Typ
układu
Szybk
ość
(ns)
Liczba
bramek
przelicz.
Arcitektura
Cena
(Euro)
EPM7064BLC44-7
7,5
1 250
CPLD – MAX
6,90
EPM7064BFC100-3
3,5
1 250
CPLD – MAX
80,-
EPM71128SLC84-15
15
2 500
CPLD – MAX
16,-
EPM128EQC160-7
7,5
2 500
CPLD – MAX
154,855,-
EP20K400CF672 C9
9
400 000 FPGA – APEX
EP20K400CF672 I8
8
400 000 FPGA – APEX 1710,-
Układy PLD – moduły IP Core
Moduły biblioteczne IP Core, zazwyczaj w postaci listy
połączeń w formacie EDIF, są oferowane przez
producentów układów PLD lub wyspecjalizowane firmy
softwarowe.
Są to:
•
•
•
•
•
•
typowe bloki funkcjonalne urządzeń cyfrowych,
interfejsy komunikacyjne,
mikrokontrolery,
mikroprocesory DSP,
różnego rodzaju kodery i dekodery stosowane przy
kompresji danych,
szyfratory realizujące algorytmy kryptograficzne,
i wiele innych.
Układy PLD – moduły IP Core
Ile kosztuje „gotowiec” IP Core?
Oferta projektantów i dystrybutorów w Polsce
(Evatronix, DCD, Altera) – przykładowo:
•
Mikrokontroler 8051 – od 995 do 9 500 $, zależnie
od wersji rdzenia i układów peryferyjnych
•
Szyfrator 3-DES - od 495 $ do 4 500 $
Układy PLD – czy warto stosować ?
TAK !!!
Szybkie, łatwe i względnie tanie sprawdzenie opracowań
prototypowych.
Jedyne, ekonomicznie uzasadnione, rozwiązanie dla
urządzeń unikatowych.
Możliwość ochrony własnego wynalazku przed kradzieżą.
W nowych układach jest możliwe zaprogramowanie
niekasowalnego kodu zabezpieczającego.
Koniec ery Revers Engineering !!!
Układy PLD – jedno z zastosowań
W erze Internetu, e-bankingu, e-biznesu, e-shopingu i
innych e -……..,
podstawowym zagadnieniem jest bezpieczeństwo
transmisji danych.
Algorytmy kryptograficzne udaje się, z powodzeniem
(przynajmniej ich wspomaganie) implementować w
układach programowalnych:
•
•
•
•
•
•
DES
MARS
RC6
Rijndael
Serpent
Twofish
Układy PLD – kto robi te układy?
W tym biznesie dominują firmy amerykański, które
go zapoczątkowały!!!
Na polskim rynku są to: Xilinx, Altera, Lattice i w
mniejszym stopniu Actel, Atmel oraz Quick Logic
Podział rynku PLD
Actel; 7%
inni; 9%
Lattice; 16%
Altera; 33%
Xilinx; 35%
Trochę historii
• 1943 – komputer Marck I
(University of Harward)
• 1946 - komputer ENIAC
(Uniwerity of Pensylwania)
18 tys. Lamp
• 1948 – tranzystor (J. Bardeen
i W.Brattain – Bell
Laboratories)
Trochę historii
• 1958 - układ scalony (J.Kilby z
Texas Inst. i R. Noyce z
Fairchild Semi.)
• 1970 - pamięci półprzewodnikowe
• 1971 – mikroprocesor C4004
(Intel) – 2,3 tys. tranzystorów
• 1973 - kalkulator elektroniczny
• 1975 - komputer osobisty
• 1975 - pierwszy układ programowalny PLS100 (Signetics/Philips)
• 1983 – założenie firm: Lattice,
Altera, Cypress
• 1984 – założenie firmy Xilinx
• 1985 - pierwsze układy FPGA
(Xilinx)
Układy programowalne PLD
SPLD – Simple
Programmable Logic
Devices (EPROM, fuse,
EEPROM, Flash)
• CPLD – Complex
Programmable Logic
devices (EPROM,
EEPROM, Flash)
• FPGA – Field
Programmable Gate
Arrays (antifuse, SRAM,
Flash)
• PSoC – Programmable
Systems on Chip
Układy PLD - konfigurowanie
VDD
Zestawienie i pamiętanie
połączeń:
Bramka
Bramka
pływająca
Komórka
RAM
Ścieżka
Ścieżka
Tranzys tor
łączący s egmenty ś cieżek
• Trwale:
- jednokrotnie (antifuse,
EPROM)
- wielokrotnie (EEPROM,
Flash)
• Ulotnie (SRAM)
Ścieżka
wdyfundowana n+
Ścieżka
polikrzemowa
• Układy rekonfigurowalne można zmieniać konfigurację w
„biegu”, zależnie od fazy
Układy PLD - realizacja „własnego” układu
Opisanie projektowanego
układu:
• Tekstowo, za pomocą języka
opisu sprzętu HDL - Hardware
Description Language
• Rysując schemat za pomocą
edytora graficznego
• Rysując przebiegi czasowe, jakie
chcemy otrzymać przy zadanych
wymuszeniach
Układy PLD - realizacja „własnego” układu
Implementacja projektu w
układzie PLD:
• Kompilacja opisu
• Symulacja funkcjonalna
• Synteza logiczna
• „Wpasowanie” w komórki PLD
• Wygenerowanie pliku do
programowania
Za pomocą oprogramowania CAD
Układy PLD - realizacja „własnego” układu
Programowanie układu PLD:
• Obecnie najczęściej w
systemie docelowym, za
pomocą interfejsu
szeregowego (JTAG –
testowanie krawędziowe i
programowanie)
• Uniwersalne lub
specjalizowane
programatory zewnętrzne
Układy PLD – obszar zastosowania
W układach PLD można realizować projekty systemów
cyfrowych o różnej złożoności funkcjonalnej, również z
mikroprocesorami.
Szczególnie nadają się do:
• Opracowywania modeli projektowanych urządzeń,
• Implementacji dużych projektów, realizowanych w
niewielkich ilościach, na przykład w unikatowej
aparaturze kontrolno-pomiarowej
• Realizowania wyspecjalizowanych koprocesorów
układowych rekonfigurowalnych podczas pracy,
wspierających złożone i czasochłonne przetwarzanie
dużych strumieni danych
Ewolucja układów PLD
• Wprowadzanie nowych
architektur
• Rozszerzanie możliwości
funkcjonalnych
• Zwiększanie gęstości
upakowania
• Zmniejszanie poboru mocy
• Nowe narzędzia projektowe
CAD
• Obniżanie cen
Spadek cen względnych układów
wraz ze zwiększaniem złożoności
LE – Logic element
Roczny spadek cen układów FLEX
(normalizowana do ceny z 1993)
Cena układu FLEX na LE
1.0
1.00
Współczynnik
ceny do złożoności (funkcji)
malał rocznie
o 40%
0.8
0.6
0.578
0.4
0.261
0.144
0.2
0.086
0.055 0.046
0.0
1993
1994
1995
1996
1997
1998 1998
Najświeższe trendy rozwojowe
•
•
•
•
Zwiększenie możliwości
funkcjonalnych przez
wbudowanie:
pamięci RAM,
procesorów DSP,
obwodów PLL
interfejsów
komunikacyjnych itp..
Przekroczono 2 mln.
bramek przeliczeniowych
w układzie
Najświeższe trendy rozwojowe
Zmniejszenie poboru mocy:
• Nowe rozwiązania układowe komórek
logicznych i matryc połączeniowych
• Rozdzielenie napięć zasilania rdzenia i
komórek I/O
• Wprowadzanie układów w wersjach
niskonapięciowych (2,5V, 1,8V,1,2 V)
Układy pobierające kilka mikroamperów
prądu w trybie oczekiwania
CoolRunner XPLA3 statycznie ok. 80uA
Pobór mocy :
• /
Pobór mocy :
Zmniejszenie poboru mocy wraz ze
zmniejszeniem napięcia zasilania
3,0
2,7
Układy APEX 20K
2,5
2,0
mW/
LE
1,5
1,0
0,6
0,3
0,5
0,0
5.0-V
EPF10K100
3.3-V
EPF10K100A
2.5-V
EP20K400
0,15
1.8-V
EP20K400E
Standardy I/O i interfejsy
komunikacyjne
• Rozszerzenie standardów
napięciowych i
interfejsowych dla
wyprowadzeń I/O – LVTTL,
LVCMOS, 3,3V PCI, AGP
• Wbudowanie interfejsów
komunikacyjnych (1Gb/s do
10Gb/s) – LVPECL, LVDS,
SERDES
Zwiększenie częstotliwości
taktowania
• Sygnał zewnętrzny
350MHz
• Rdzeń 500MHz
Wirtualne przyrządy pomiarowe
Karta komputerowa z graficznym interfejsem operatorskim
na ekranie monitora.
Główne bloki pomiarowe zrealizowane w układzie
specjalizowanym (ASIC).
Zobrazowanie wyników i manipulatory na ekranie monitora.
APEX 20K
Liczniki czasu i częstotliwości T-2200
Liczniki T-2200 – w postaci kart z komputerowych
interfejsami, odpowiednio PCI i PXI
Licznik czasu i częstotliwości
T-2200PCI
• Pomiar czasu: 0…43 s z rozdzielczością 200ps
• Pomiar częstotliwości: od 0,1 Hz do 1,1 GHz
Licznik czasu i częstotliwości T-2200
Okno interfejsu graficznego miernika
Licznik czasu i częstotliwości T-2200
Trzy w jednym:
Mostek PCI 9052
prawdziwy ASIC
firmy PLX
Sterownik lokalny
CPLD EEPROM
Xilinx XC95288XL
Właściwy
licznik czasu
FPGA antifuse
Firmy QuickLogic
pASIC QL 16x24