Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulInstituto de Informática (II-PUCRS)Grupo de Apoio ao Projeto de Hardware - GAPH

Ney Laert Vilar Calazans*

Julho, 1998

*Com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico eTecnológico (CNPq) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do RioGrande do Sul (FAPERGS).

Projeto Lógico Automatizado deSistemas Digitais Seqüenciais

1 - Introdução

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Acesso ao material e contatos

H Material completo - livro, slides, etc:

– após Escola’98, a partir da URL

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H Contato com o Autor:» mailto:calazans@kriti.inf.pucrs.br

H Grupo GAPH:» http://www.inf.pucrs.br/~gaph

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Escola98

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Sumário

H 1 - Sistemas Digitais

H 2 - Projeto e Fabricação de SDs

H 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H 4 - Taxonomia de SDs

H 5 - O Processo de Projeto de SDs

H 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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1 - Sistemas Digitais - definição estrutural

Sistema DigitalProcessamento Numérico

de Informação

Entradas Saídas

E(1) ∈ C(1)

E(2)

E(K-2)

E(K)

E(K-1)

S(1) C(K+1)∈

S(2)

S(3)

S(L)

S(L-1)

∈

∈

∈

∈

C(2)

C(K-2)

C(K-1)

C(K)

C(K+2)

C(K+3)

C(K+L-1)

C(K+L)

∈

∈

∈

∈

Sistema Digital - Aparato dotado de conjuntos finitos de entradas e saídas e capaz de processar informação representada sob forma numérica.

Em francês, systèmes numériques!

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Sumário

√ 1 - Sistemas Digitais

H 2 - Projeto e Fabricação de SDs

H 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H 4 - Taxonomia de SDs

H 5 - O Processo de Projeto de SDs

H 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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2 - Projeto e Fabricação de Sistemas Digitais

H Três ramos do conhecimento científico envolvidos:– Ciência da Computação, Física de Semicondutores e

Matemática Aplicada

Ciência daComputação

Física deSemicondutores

Métodos de FabricaçãoAuxiliada por Computador

Métodos de Modelagemde Processos Físicos

Métodos de ProjetoAuxiliado por Computador

Engenharia deSistemas Digitais

VLSI

SistemasVLSI

MatemáticaAplicada

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2 - Projeto e Fabricação de SDs VLSI

H Projeto de SDs - método p/ desenvolverplano de um SD -> manufatura automática;

H Estilo de Projeto - conjunto de métodos;

H Base da tecnologia atual - processosplanares de fabricação;

H CI VLSI moderno - pastilha de 1cm2 delado, espessura < 1mm, >106 dispositivos;

H Parâmetro de base - “min-feature-size”: em96 - 0,25µm/ em 98 - 0,18µm e 0,12µm;

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2 - Projeto e Fabricação de SDs - Lei de Moore

H “A densidade deCircuitos Integradosdobra a intervalosregulares de 18meses”.– Gordon E. Moore,

(1965)

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Sumário

√ 1 - Sistemas Digitais

√ 2 - Projeto e Fabricação de SDs

H 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H 4 - Taxonomia de SDs

H 5 - O Processo de Projeto de SDs

H 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H SD Combinacional - comportamento de cada saídadescrito como função exclusivamente dos valoresinstântaneos das entradas.

A

0

0

1

1

B

0

1

0

1

A

B

A^B

0

0

0

1

A^B

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3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H SD Seqüencial -qualquer SD que nãopossa, em geralatender a definição deSD combinacional.

X Xi-1

0

1

Xi

1

0

Oscilador em Anel

A

XA

0

1

Xi

0

Xi-1

Captura de Zeros

E

D

E

0

0

1

1

D

0

1

0

1

Xi

Xi-1Xi-1

0

1

X

1 bit de RAM

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3 - Armazenamento de Informação e Estado

H Em geral, laço derealimentação implicaarmazenar informação,e conceito de estado;

B

A X

A

0

0

1

1

B

0

1

0

1

X

0

0

0

1

Contra-exemplo: circuito comrealimentação, contudocombinacional

Estado - excluindorealimentações redundantes,cada configuração distinta devalores destas.

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3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H Definição de tipos de SDs baseada em estados:

– Todo SD é um SD seqüencial;

– SD combinacional - possui apenas 1 estado;

– SD estritamente seqüencial - sob mesmascondições, possui mais de um estado.

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Sumário

√ 1 - Sistemas Digitais

√ 2 - Projeto e Fabricação de SDs

√ 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

H 4 - Taxonomia de SDs

H 5 - O Processo de Projeto de SDs

H 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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4 - Taxonomia de SDs

H Fundamental - escolha de critérios declassificação adequados;

H Ortogonalidade - meta da escolha de critérios;

H Critérios - podem depender de diversascaracterísticas físicas, de uso, de construção, decusto, etc.

H Critérios: personalizabilidade, programabilidade,retenção da personalização, complexidade, formade produção, relação entradas/saídas,pressupostos de sincronismo, etc.

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NÃO PROGRAMÁVEIS OU RÍGIDOSEX: FAMÍLIA TTL 74XX

PROGRAMÁVEISEX: FAMÍLIA INTEL MCS'86

NÃO PERSONALIZÁVEISOU FIXOS

CIRCUITOSINTEGRADOS

PERSONALIZÁVEIS

PÓS-FABRICAÇÃO

POR FABRICAÇÃO

RETENÇÃO EM FUNCIONAMENTOEX: FPGA BASEADO EM RAM

RETENÇÃO ETERNA, EXCETO PORPROCEDIMENTOS ESPECIAIS EX:

EPROM, EEPROM, FPGABASEADO EM EPROM

RETENÇÃO ETERNA, APÓS PRIMEIRAPERSONALIZAÇÃO EX: PROM, FPGA

BASEADO EM ANTIFUSÍVEIS

PARCIALMENTE PERSONALIZÁVEIS,OU SEMI-DEDICADOS, OU PRÉ-

CARACTERIZADOS (SEMI-CUSTOM)

TOTALMENTE PERSONALIZÁVEIS,OU DEDICADOS (FULL-CUSTOM)

PRÉ-DIFUNDIDOSEX: GATE ARRAY

PÓS-DIFUNDIDOSEX: STANDARD-CELL

Uma Classificação de CIs baseada em quatro critérios

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Sumário

√ 1 - Sistemas Digitais

√ 2 - Projeto e Fabricação de SDs

√ 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

√ 4 - Taxonomia de SDs

H 5 - O Processo de Projeto de SDs

H 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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5 - O Processo de Projeto de SDs

H Processo de Projeto - descrição inicial(especificação) -> descrição final (projetofinal ou detalhado);

H Diferença entre especificação e projeto final- quantidade de informação;

H Informação no projeto final permite fabricarautomaticamente (ou quase) o SD;

H Problema - controlar a complexidade deprojeto VLSI!

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5 - O Processo de Projeto de SDs

H Problema derivado - complexidade impedepassagem direta especificação -> projetofinal;

H Solução - decomposição hierárquica doprocesso de projeto, continuum dedescrições;

H Complexidade requer organização dahierarquia de descrições - modelos pararepresentar o processo de projeto.

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5 - Modelo de Suzim

H Critério: nível deabstração;

.

Validação

Síntese

Síntese

Síntese

Nível de Abstração i+1

Nível de Abstração i

Extração

Extração

Extração

Otimização

Validação Otimização

......

Transformação entre níveis (aresta) = ferramenta de projeto;Nível de abstração (vértices) = conjunto de descrições.

H Suzim propõe modelounidimensional;

H Nível de abstração =quantidade de informação;

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5 - Modelo de Gajski-Kuhn ou Diagrama Y

H Modelo bidimensional;

H Critérios: nível de abstraçãoe domínio de descrição;

H Domínio de descrição = tipode informação;

Elétrico

Lógico

Arquitetural

SistêmicoDomínio Estrutural Domínio Comportamental

Domínio Físico

Processadores, Memórias, Barramentos

Registradores, ULAs, Muxs, Decods

Portas Lógicas, Biestáveis

Transistores, Lineares Funções de Transferência, Equações Diferenciais

Expressões Booleanas, Tabelas de Transição

HDLs, Transferência entre Registradores

Processos Comunicantes, Algoritmos

Placas, Módulos Multi-chip

Planta Baixa de Blocos de CIs

Planta Baixa de Células Lógicas

"Layout" de Transistores e Lineares

Círculo = nível de abstração, eixo = domínio de descrição;Intersecção círculo-eixo (vértices) = descrição;Transformação entre níveis (aresta no grafo) = ferramenta.

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5 - Exemplo de processo de projeto

Elétrico

Lógico

Arquitetural

Sistêmico

Domínio Estrutural Domínio Comportamental

Domínio Físico

Diagrama de Blocos

Diagrama de Esquemáticos

Diagrama de Tempos

Português Estruturado

"Layout" de Transistores

Editor de Esquemáticos

Particionamento,Posicionamento, Traçado de Rotas Simulação,

Minimização

"Back Annotation"

Processo Clássico deProjeto de SDs

H Ponto de Partida -especificação informal;

H Captura/Validação - Editor deesquemáticos e Simulador;

Síntese física - Posicionamento e Traçado de Rotas, seguidode “back-annotation e ressimulação;

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Sumário

√ 1 - Sistemas Digitais

√ 2 - Projeto e Fabricação de SDs

√ 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

√ 4 - Taxonomia de SDs

√ 5 - O Processo de Projeto de SDs

H 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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6 - Projeto de SDs auxiliado por Computador

H Estrutura Geral de CAD:– Interface Gráfico-textual;

– Arcabouço de Projeto(framewok);

ArcabouçodeProjeto

Programas

Bibliotecas

Descrições

InterfaceGráfico-Textual

– Descrições de projeto;

– Ferramentas de projeto;

– Bibliotecas.

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6 - Exemplo de Sistema de Projeto

Foundation,da empresa

Xilinx

Componentesde projeto

Ferramentasde projeto

Janela demensagens

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6 - Exemplo de Sistema de Projeto - cont.

Editor hierárquicode esquemas

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6 - Exemplo de Sistema de Projeto - cont.

Simulador Lógico: Funcional e de Temporização

Janela de SimulaçãoJanela de

Estimulação

Janela deControle

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6 - Exemplo de Sistema de Projeto - cont.

Janelas de Síntese Física:

Controle deVersões

FerramentasIndividuais

Andamento da Síntese

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6 - Exemplo de Sistema de Projeto - cont.

Ferramenta de:

visualização dasíntese física

edição manual

análise deocupação

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Sumário

√ 1 - Sistemas Digitais

√ 2 - Projeto e Fabricação de SDs

√ 3 - SDs Combinacionais e Seqüenciais

√ 4 - Taxonomia de SDs

√ 5 - O Processo de Projeto de SDs

√ 6 - Projeto de SDs Auxiliado por Computador

H 7 - Escopo do Curso

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7 - Escopo do Curso

H Estrutura:– Hoje:

» Introdução (Capítulo 1)

» Fundamentação Teórica (Capítulo 2)

– Próximos encontros:» Capítulo 3 e Capítulo 4 - 2 encontros

» Capítulo 5 e Capítulo 6 - 2 encontros

H Contexto: Projeto Lógico Seqüencial

H Livro Companheiro: Ricardo Jacobi 10a

Escola, Projeto Lógico Combinacional

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7 - Escopo do Curso - Ilustração

Elétrico

Lógico

Arquitetural

Domínio Estrutural Domínio Comportamental

Domínio Físico

Sistêmico

Projeto Sistêmico

Projeto Arquitetura l

Projeto Lógico

Projeto FísicoProjeto LógicoSeqüencialcontido aqui