Schaltungsentwicklung vom Chip- zum Systementwurf · 3 / 47 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler...
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1 / 47 AB TAMS Technische Aspekte Multimodaler Systeme Universität Hamburg Fachbereich Informatik Oberseminar TAMS: Schaltungsentwicklung – vom Chip- zum Systementwurf 11.12.02 Andreas Mäder [email protected] Oberseminar TAMS Oberseminar TAMS Schaltungsentwicklung Schaltungsentwicklung vom Chip- zum Systementwurf vom Chip- zum Systementwurf
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Oberseminar TAMSOberseminar TAMS
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InhaltInhalt
● Motivation Moore's LawTechnologische EntwicklungApplikationen
● Chipentwurf GrundlagenEntwurfsstileEntwurfsmethodikHardwarebeschreibungssprachen VHDL
● Systementwurf BegriffeHigh-Level Synthese elliptische KurvenCoDesign Sensorintegration
● Möglichkeiten des AB TAMS
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Moore's LawMoore's Law
● Die Zahl der Transistoren pro IC verdoppelt sich alle 2 Jahre
Gordon Moore 1965: „Cramming more components onto integrated circuits“
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Moore's LawMoore's Law
● Faktoren
1. Technologische Entwicklung
2. Neue Anwendungsgebiete
3. Neue Methoden und Entwurfswerkzeuge● Beeinflussen sich Gegenseitig● Paradigmenwechsel im IC Entwurf
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Technologische EntwicklungTechnologische Entwicklung
● Verkleinerung der Strukturbreiten
International TechnologyRoadmap for Semiconductors
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Technologische EntwicklungTechnologische Entwicklung
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ApplikationsfelderApplikationsfelder70 80 90 00
Gatter
Prozessoren, Speicher
Standardbausteine
ASICsGlue-Logic
Applikationsspezifische ICs
Signalverarbeitung
Eingebettete Systeme
Coprozessoren, Grafik● Computing
● Consumer Products
● Automotive
● Telekommunikation
● mobile Computing
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ApplikationsfelderApplikationsfelder
● Integration neuer Technologien auf Standard-Silizium„System on a Chip“
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ChipentwurfChipentwurf
● Abstraktion– Entwurfsebenen
● Sichtweise– Verhalten– Struktur
● Entwurf als iterativer Prozess– Alternativen– Versionen
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D. Gajski, R. Kuhn 1983:„New VLSI Tools“Y-Diagramm
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ChipentwurfChipentwurfHierarchischer Entwurf„top-down“
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Full-Custom
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Standardzell
Schematic Zell-Layout
● Gatterbibliotheken● fertige Zellen (Layout in FC-Qualität)● identische Zellhöhe
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Standardzell
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Gate-Array
● Gatterbibliotheken● vorgefertigte Transistoren● Funktion durch Metallisierung
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ChipentwurfChipentwurf
Auswahlkriterien
Full-Custom +++ +++ +++ --- ---
Standardzell / Makrozell ++ ++ ++ -- --
Gate-Array + o + o o
- -- -- ++ +++
~105
~104
~103
Programmierbare Logik (FPGA, CPLD...)
<103
Perfor
mance
Fläch
e
Kosten
(IC)
Kosten
(fix)
Time t
o mar
ket
● Entwurfsstile
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ChipentwurfChipentwurf
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EntwurfsmethodikEntwurfsmethodik
● Änderung in der Entwurfsmethodik
– Struktur ⇒ Verhalten
– grafische Eingabe ⇒ Hardwarebeschreibungssprache
● Entwurf auf höheren Abstraktionsebenen● Automatische Transformationen bis zum Layout
– Synthese– Datenpfad- / Makrozellgenerierung– Zellsynthese– Platzierung & Verdrahtung
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VHDLVHDL
● VHSIC Hardware Description LanguageVery High Speed Integrated Circuit
● Entwicklung– 1983 vom DoD initiiert– 1987 IEEE Standard– Überarbeitungen VHDL'93, VHDL'02– Erweiterungen Hardwaremodellierung/Zellbibliotheken
Hardwaresynthesemathematische Typen und Funktionenanaloge Modelle und Simulation
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VHDL – sequenziellVHDL – sequenziell
● Sequenzielle Programmiersprache (Pascal)● Typen, Untertypen, Alias-Deklarationen
– skalar integer, real, character, boolean, bit, Aufzählung
– komplex line, string, bit_vector, Array, Record
– Datei- text, File
– Zeiger- Access
● Objekte constant, variable, file
● Operatoren and, or, nand, nor, xor, xnor =, /=, <, <=, >, >=sll, srl, sla, sra, rol, ror +, -, & +, -*, /, mod, rem **, abs, not
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VHDL – sequenziellVHDL – sequenziell
● Anweisungen– Zuweisung :=, <=
– Verzweigung if, case
– Schleifen for, while, loop, exit, next
– Zusicherungen assert, report
– ...● Sequenzielle Umgebungen
– Prozesse process
– Unterprogramme procedure, function
(rekursiv)
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...type list_T;type list_PT is access list_T;type list_T is record key : integer; link : list_PT; end record list_T;constant input_ID : string := "inFile.dat";file dataFile : text;variable dataLine : line;variable list_P, temp_P : list_PT := null;...procedure readData is variable keyVal : integer; variable rdFlag : boolean;begin file_open (dataFile, input_ID, read_mode); L1: while not endfile(dataFile) loop readline(dataFile, dataLine); L2: loop
read(dataLine, keyVal, rdFlag); if rdFLag then temp_P := new list_T'(keyVal, list_P); list_P := temp_P; else next L1; end if;
end loop L2; end loop L1; file_close(dataFile);end procedure readData;
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VHDL – konkurrentVHDL – konkurrent
● Konkurrenter Code (ADA'83)Modelliert die gleichzeitige Aktivität der Hardwareelemente– Mehrere Prozesse– Prozeduraufrufe– Signalzuweisung, bedingt (if), selektiv (case) <=
– Zusicherung assert
● Synchronisationsmechanismus für Programmlauf / Simulation– Objekt signal
– Signale verbinden konkurrent arbeitende „Teile“ miteinander– Entsprechung in Hardware: Leitung
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VHDL – SimulationVHDL – Simulation
● Semantik der Simulation im Sprachstandard definiert:„Simulationszyklus“, als virtuelles Verhalten von Programmen
● Kausalität
1. Signaländerung - „Event“
2. Aktivierung des konkurrenten Codes
3. Signalzuweisungen in der Abarbeitung
4. Erneute Signaländerung
Zyklusn
Zyklusn+1
aluO <= a+b when add else a-b;a <= reg(selA);b <= reg(selB);
⇐
aluO <= a+b when add else a-b;a <= reg(selA);b <= reg(selB);
aluO <= a+b when add else a-b;a <= reg(selA);b <= reg(selB);
⇐
aluO <= a+b when add else a-b;a <= reg(selA);b <= reg(selB);
⇐
aluO <= a+b when add else a-b;a <= reg(selA);b <= reg(selB);
⇐
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VHDL – SimulationVHDL – Simulation
● Trennung der ZyklenFinden in einem Zyklus mehrere Events und/oder mehrere Codeaktivierungen pro Event statt, dann ist die Simulation unabhängig von der sequenziellen Abarbeitungsreihenfolge durch den Simulator!
● Zwischen den Zyklen kann Zeit vergehen:Verzögerungszeiten bei Signalzuweisungen x <= a+b after 2 ns;
● Zeitpunkt des nächsten Simulationszyklus
1. δ-Zyklus = Ereignis ohne Verzögerungszeit x <= a+b;
2. kleinster Wert aus Ereignisliste clk <= not clk after period/2;
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VHDL – SimulationVHDL – Simulation
● Prozesse sind ständig aktiv ⇒ Endlosschleife
Typen: 1. Sensitiv zu Signalen 2. wait-Anweisungenbis Prozessende bis wait
alu_P: process(a, b, add)begin if add then x <= a+b; else x <= a-b; end if;end process alu_P;
producer_P: processbegin pReady <= false; wait until cReady; channel <= ... pReady <= true; wait until not cReady;end process producer_P;
consumer_P: processbegin cReady <= true; wait until pReady; ...
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VHDL – SimulationVHDL – Simulation
● Signalzuweisungen im sequenziellen Kontext– sequenzieller Code wird nach Aktivierung bis zum
Prozessende/wait abgearbeitet– Signalzuweisungen werden (frühestens) im folgenden
Simulationszyklus wirksam
⇒ eigene Zuweisungen sind in dem Prozess nicht sichtbar
process ... ... if swap = '1' then b <= a; a <= b; end if;
process ... ... num <= 5; ... if num > 0 then ...
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VHDL – EntwurfVHDL – Entwurf
● Entwurfsspezifische Eigenschaften– Strukturbeschreibungen / Hierarchie
Instanziierung von Teilentwürfen component configuration
– Schnittstellen entity
– Versionen und Alternativen architecture configuration
● zusätzliche Features– Bibliotheken library
– Design- und Code-Reuse package
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VHDL – EntityVHDL – Entity
● Entity als zentrale Entwurfseinheit– Beschreibung der Schnittstelle „black-box“
– mit Parametern generic
– und Ein- / Ausgängen port
entity delayLine isgeneric ( bitWid : integer range 2 to 64 := 16; delLen : integer range 2 to 16 := 16); port ( clk : in std_logic; dataIn : in signed (bitWid-1 downto 0); dataOut : out signed (bitWid-1 downto 0));end entity delayLine;
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VHDL – ArchitekturVHDL – Architektur
● Architektur als Implementation einer Entity
– mehrere Architekturen sind möglich ⇒ Alternativen
– lokale Deklarationen– konkurrente Anweisungen + Prozesse + Instanzenarchitecture behavior of delayLine is type delArray_T is array (1 to delLen) of signed (bitWid-1 downto 0); signal delArray : delArray_T;begin dataOut <= delArray(delLen); reg_P: process (clk) begin if rising_edge(clk) then delArray <= dataIn & delArray(1 to delLen-1); end if; end process reg_P;end architecture behavior;
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VHDL – strukturellVHDL – strukturell
● Hierarchie– repräsentiert Abstraktion– zur funktionalen Gliederung
● Instanziierung von Komponenten
1. Komponentendeklaration und component
2. Instanziierung in der Architecture
3. Bindung an Paar: Entity+Architecture configuration
● Komponente als Zwischenstufe mit anderenBezeichnern und Schnittstellen (Ports und Generics)
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VHDL – strukturellVHDL – strukturell
● Konfiguration zur Bindung: Komponente ⇔Entity+Architecture
– lokal, innerhalb der Architektur– als eigene Entwurfseinheit– „default“-Regeln: identische Bezeichner, Deklarationen
● Strukturierende Anweisungen– Gruppierung block
– bedingte und/oder wiederholte Ausführungkonkurrenten Codes oder Instanziierungen generate
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architecture structure of delayLine is component reg is generic ( width : integer range 2 to 64); port ( clk : in std_logic; dIn : in signed(width-1 downto 0); dOut : out signed(width-1 downto 0)); end component reg; type delReg_T is array (0 to delLen) of signed(bitWid-1 downto 0); signal delReg : delReg_T;begin delReg(0) <= dataIn; dataOut <= delReg(delLen); gen_I: for i in 1 to delLen generate reg_I: reg generic map (width => bitWid) port map (clk, delReg(i-1), delReg(i)); end generate gen_I;end architecture structure;
configuration delayLineStr of delayLine isfor structure for gen_I for all: reg use entity work.reg(behavior); end for; end for;end for;end configuration delayLineStr;
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VHDL – SyntheseVHDL – Synthese
● VHDL deckt Abstraktion von Algorithmen- bis zur Gatterebene ab– eine Sprache als Ein- und Ausgabe der Synthese
● Synthese - allgemein üblich: RT-Ebene– Abbildung von Register-Transfer Beschreibungen auf
Gatternetzlisten– erzeugt neue Architektur, Entity bleibt
● Simulation– System-/Testumgebung als VHDL-Verhaltensmodell– Simulation der Netzliste durch Austausch der Architektur
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Produktivitätssteigerung und Moore's Law
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Produktivitätssteigerung und Entwurfskosten
ITRS '01
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SystementwurfSystementwurf
● Übergang zu anwendungsspezifischen Systemen– Systemstruktur Prozessorelemente, Speicher
– Schnittstellen Busse, Protokolle, Sensoren, Aktoren
– Software für mehrere Prozessoren, Controller...
– Hardware Standardkomponenten, ASICs,analoge Komponenten, MEMS...
● Stichworte– „Embedded Systems“– Hardware-Software CoDesign– High-Level Synthese
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SystementwurfSystementwurf
● Einordnung in der Hierarchie● Synthesewerkzeuge
Register-Transfer undLogiksynthese
High-Level Synthese
Hardware-SoftwareCoSynthese ?
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SystementwurfSystementwurf
● Entwurfsaufgabe– „Für das System soll unter den gegebenen Randbedingungen
die beste (günstigste) Lösung gefunden werden.“● Randbedingungen
– Performance Arbeitsgeschwindigkeit, Datendurchsatz, Antwortzeiten
– Größe– Leistungsaufnahme, Abwärme– Umgebungseigenschaften EMV, Temperatur, Beschleunigung
– ökonomische Vorgaben time-to-market, Kosten
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SystementwurfSystementwurf
● Suchraum– Software auf Prozessor Nachteil: von Neumann Abarbeitung
– dedizierte Hardware Nachteil: Flexibilität, Kosten
● Regelfall: gemischte Lösung Hardware+Software● Beispiel
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High-Level SyntheseHigh-Level Synthese
● Synopsys Behavioral Compiler● Eingabesprachen: „behavioral VHDL“, SystemC● Zielarchitektur: Controller + Datenpfad (+ Memory)● Arbeitsweise
– CDFG aus Code extrahieren– Operator-Timing– „Scheduling“ der Operationen multicycle, chaining, pipelining
– „Allokation“ der Ressourcen Operatoren + Register
– Datenpfad und FSM-Generierung
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CoDesignCoDesign
● Anwendungsbeispiel zeigt das Potenzial HW+SW● Sensorintegration
– MEMS Beschleunigungssensor Analog Devices ADXL202
– 2-Achsen– pulsbreitenmoduliertes Signal
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CoDesignCoDesign
● Softwarelösung– Abtastung mit Prozessor, timer-Interrupt,...
● Probleme– Genauigkeit T2: 1 ms, Auflösung: 14-bit ⇒ Abtastrate 16 Mhz
– Erweiterbarkeit Datenhandschuh mit 7x2-Sensoren
⇒ Hardware „überdimensionieren“ nur für Abtastung?● typisches Beispiel für „Datenreduktion“
– pro Sensor jede Millisekunde T1 (und T2), je 14-bit
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CoDesignCoDesign
● Hardware und Prozessor gemeinsam in programmierbarer Logik– FPGA Apex 20K200EFC484: 8320LEs, 526000 Gates max.
– Altera SOPC Builder● 16- / 32-bit konfigurierbarer Prozessor● GnuPro Toolkit
● Design-Flow– System- und Schnittstellendesign– „customized“ NIOS-Prozessor– Hardwaresystem VHDL
Software C
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CoDesignCoDesign
● Systemdesign– Hardware
● Sensoren abtasten● T1, T2 messen
– Software
● Normierung● Beschleunigung● Strecken ?
● Schnittstelle– Interruptgetrieben
– parallel IO
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● Hardware– timeCnt Abtastung eines Sensors (33MHz)
T1, T2 als 16-bit unsigned Wort
– timeArray Instaziierung der timeCntsImplementation der Protokollschnittstelle
● Software, prototypisch– iniISR je Sensor: Maximum und Minimum von T1, T2 bestimmen
– Normalisierung berechnet Skalierungsfaktor
– runISR Sensorwerte berechnen 16-bit signed
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● Eingabesprachen SystemC, VHDL, Verilog
● Synthese HLS-Code, RT-Level
● Simulation SystemCVHDL, Verilog, Verilog-AMS CoSim.HSpice, Spice, Spectre (analog)
● Standardzell Platzierung & Verdrahtung,...
● Full-Custom Layout, Extraktion...
● Prozesse analog+digital, Makrozellen (RAM, ROM...)CMos (>0.18 µm, 6 metall), BiCMos
● FPGAs Altera 3 NIOS Dev.-Kit, 1 DSP Dev.-KitXilinx
