Technika cyfrowa

Technika cyfrowa
Tadeusz Łuba
Gmach Elektroniki
Nowowiejska 15/19
pok. 472
luba@tele.pw.edu.pl
zpt2.tele.pw.edu.pl

Organizacja
Wykład
Tadeusz Łuba
Laboratorium
dr Paweł Tomaszewicz
dr Grzegorz Borowik

Egzamin...
LAB 40 pkt.
Egzamin 60 pkt
(w tym kolo za 20pkt)
Oceny tradycyjnie

1. Ashar P., Devadas S., Newton A. R.: Sequential logic synthesis,
Kluwer Academic
2. Minimization Algorithms for VLSI Synthesis, Kluwer Academic
Publishers, Boston, 1984.
3. Brown F. M.: Boolean Reasoning. The Logic of Boolean Equation,
Kluwer Academic Publishers, 1990.
4. Brzozowski J. A, Seger C-J.: Asynchronous Circuits, Springer Verlag,
New York 1995.
5. Brzozowski J., Łuba T.: Decomposition of Boolean Functions Specified
by Cubes. Journal of Multiple-Valued Logic and Soft Computing.
Vol. 9, pp. 377–417. Old City Publishing, Inc., Philadelphia 2003.
6. De Micheli G.: Synthesis and Optimization of Digital Circuits. McGraw-Hill,
New York, 1994. Również tłumaczenie polskie: Synteza i optymalizacja
układów cyfrowych. WNT, Warszawa Łuba 1998. T.(red.),
7. Devadas, S., Ghosh, A., and Keutzer, K. Logic Synthesis. McGraw-Hill,
New York, 1994.
8. Gajski D.D.: Principles of digital design.
Zbierzchowski
Prentice-Hall International,
B.:
New jersey 1997.
9. Hassoun S., Sasao T., Brayton R. (ed.): Logic Synthesis and Verification.
Kluwer Academic Publishers, New York 2002.
10. Iman S., Pedram M.: Logic Synthesis for Low Power VLSI Design, Kluwer
Academic Publishers, 1999.
11. Kamionka-Mikuła H., Małysiak H., Pochopień B.: Układy cyfrowe. Teoria
i przykłady. Wyd. Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego.
Gliwice 2003.
12. Kania D.: Synteza logiczna przeznaczona dla matrycowych struktur
programowalnych typu PAL. Politechnika Śląska. Zeszyty Naukowe.
Nr 1619. Gliwice 2004.
13. Katz R. H.: Contemporary logic design. The Benjamin/Cummings
Publishing Company, Inc., Redwood City, 1994
14. Kohavi Z.: Switching and Finite Automata Theory. Mc-Graw-Hill,
New York, 1978.
15. Kuźmicz W.: Układy ASIC w polskich realiach. Przegląd Telekomunikacyjny
i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 8, pp. 457-460, 1995.
16. Lala P.K.: Practical digital logic design and testing. Prentice-Hall,
New Jersey 1996.
17. Łuba T.(red.), Rawski M., Tomaszewicz P., Zbierzchowski B.: Synteza
układów cyfrowych. WKŁ Warszawa 2003.
18. Łuba T., Zbierzchowski B., Zbysiński P.: Układy reprogramowalne dla
potrzeb telekomunikacji cyfrowej. Przegląd Telekomunikacyjny
i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 5, 2002.
Literatura
Rawski M., Tomaszewicz P.,
Programowalne układy
przetwarzania sygnałów
cyfrowych i informacji
WKŁ Warszawa 2008
19. Łuba T.: Synteza układów logicznych. Wyższa Szkoła Informatyki
Stosowanej i Zarządzania, Wyd. 2, Warszawa 2001.
20. Łuba T.: Rola i znaczenie syntezy logicznej w technice cyfrowej
układów programowalnych. Elektronika, str. 15 ¸ 19, nr 7-8, 2002.
21. Łuba T., Jasiński K., Zbierzchowski B.: Programowalne układy
przetwarzania sygnałów i informacji - technika cyfrowa
w multimediach i kryptografii, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości
Telekomunikacyjne, str. 408-418, nr 8-9, 2003.
22. Majewski W., Albicki A.: Algebraiczna teoria automatów. WNT,
Warszawa 1980.
23. Mikołajczak B.: Algebraiczna i strukturalna teoria automatów. PWN,
Warszawa – Łódź 1985.
24. Mulawka J.: Systemy ekspertowe. WNT, Warszawa 1996.
25. Mrózek A., Płonka L.: Analiza danych metodą zbiorów
przybliżonych. Zastosowania w ekonomii, medycynie i sterowaniu.
Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa 1999.
26. McCluskey E. J.: Logic design principles, with emphasis on testable
semicustom circuits. Prentice-hall International, Inc., New Jersey
1986.
27. Pawlak Z.:Rough Sets. Theoretical Aspects of Reasoning about
Data, Kluwer Academic Publishers, 1999.
28. Roth C. H.: Fundamentals of Logic Design. West Publ. CO., 1985.
29. Salsic Z., Smailagic A.: Digital systems design and prototyping
using field programmable logic. Kluwer Academic Publishers, 1997.
30. Sasao T.: Switching Theory for Logic Synthesis, Kluwer Academic
Publishers, 1999.
31. Sasao T.: Logic Synthesis and Optimization. Kluwer Academic
Publishers,1993.
32. Słowiński R.(ed.): Intelligent Decision Support - Handbook of
Applications and Advances of the Rough Sets Theory, Kluwer
Academic Publishers, Dordrecht 1992.
33. Scholl C.: Functional Decomposition with Application to FPGA
Synthesis. Kluwer Academic Publisher, Boston 2001.
34. Tyszer J.: Układy cyfrowe. Materiały pomocnicze do wykładów.
Wyd. Politechniki Poznańskiej. Poznań 2000.
35. Zieliński C.: Podstawy projektowania układów cyfrowych. PWN,
Warszawa 2003.
36. Zbysiński P., Pasierbiński J.: Układy programowalne – pierwsze
kroki. Wyd. II, Wydawnictwo BTC. Warszawa 2004.
4

Literatura
5

Technika cyfrowa znalazła
szczególne zastosowanie w układach
cyfrowego przetwarzania informacji i
sygnałów
,89484,3,90031472,9.0
474230
8

. . . Rok 1958 . . .
Jack Kilby z Texas Instruments zbudował pierwszy układ scalony …
… za co otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 2000.
Pierwsze układy scalone zawierały mniej niż 20 tranzystorów.
9

. . . 2011
miliony bramek logicznych
ASIC
Nowa jakość…
10

Nową jakością układów scalonych,
o przełomowym znaczeniu dla techniki
cyfrowej jest technologia programowalnych
modułów logicznych, których konstrukcja
jest bardzo prosta z ideowego punktu
widzenia, ale jest to nowa jakość z punktu
widzenia – niemożliwego do tej pory –
programowania połączeń.
11

Programowalne moduły y logiczne
(Programmable Logic Devices)
to układy scalone, których właściwości
funkcjonalne są definiowane nie przez
producenta, lecz przez końcowego
użytkownika. Najważniejsza cechą tych
układów jest możliwość nadawania im (przez
programowanie) określonych przez
użytkownika cech funkcjonalnych, w jego
laboratorium czy na biurku, a nie w fabryce.
PLD
PLD
12

Układy FPGA
(Field Programmable Gate Array)
Configurable Logic Block (CLB)
Logic Element (LE)
DATA IN
LOGI C
VARIABLES
.di
.a
.b
.c
.d
.e
QX
F
CO MB INATIONAL
FUNCTION
G
QY
F
DIN
G
F
DIN
G
0
MUX
1
0
MUX
1
D Q
RD
D Q
QX
F
G
QY
.X
CLB
OUTPUTS
.Y
ENABLE
clk
clk
RESET
.e c
"1" (ENABLE)
.k
.rd
"0 " (I NH IB IT)
RD
(GLOBAL RESET)
Reprogramowania i
rekonfiguracji
13

Układy programowalne wyrównuj
wnują szanse…
14

Układ kryptograficzny
PLD
ASIC
F@*q~
PLD
15

Komputerowe systemy projektowania
Ze względu na skomplikowaną budowę struktur
programowalnych ich realizacja nie może e się odbywać bez…
GAL
PAL
FPGA
FLEX
EPLD
16

Komputerowe projektowanie…
Języki opisu sprzętu
tu…
Specyfikacja HDL
Synteza funkcjonalna
Synteza logiczna
Hardware Description
Language (HDL):
VHDL
VERILOG
SystemC
Odwzorowanie
technologiczne
FPGA
17

Edytor tekstowy
18

Przetwarzanie projektu - kompilator
19

Programowanie
20

Przełomowe znaczenie układów
programowalnych wynika również
z faktu, że otworzyły one drogę do
stosowania nowych, niezwykle
skutecznych procedur syntezy
logicznej
21

Przykład – prosty układ
x 1
x 2
x 3
x 10
kombinacyjny
Układ kombinacyjny
UK
y
.type fr
.i 10
.o 1
.p 25
0010111010 0
1010010100 0
0100011110 0
1011101011 0
1100010011 0
0100010110 0
1110100110 0
0100110000 0
0101000010 0
0111111011 1
0000010100 1
1101110011 1
0100100000 1
0100011111 1
0010000110 1
1111010001 1
1111101001 1
1111111111 1
0010000000 1
1101100111 1
0010001111 1
1111100010 1
1010111101 1
0110000110 1
0100111000 1
.e
22

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY tl27 IS
PORT (
in: IN STD_LOGIC_VECTOR(9
DOWNTO 0);
out: OUT STD_LOGIC_VECTOR(0
DOWNTO 0)
);
END tl27;
Realizacja funkcji F
w systemie Quartus
ARCHITECTURE tl27_arch OF tl27 IS
BEGIN
pandor: PROCESS (in)
BEGIN
CASE in IS
WHEN "0010111010" => out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY tl27 IS
PORT (
in: IN STD_LOGIC_VECTOR(9
DOWNTO 0);
out: OUT STD_LOGIC_VECTOR(0
DOWNTO 0)
);
END tl27;
Realizacja funkcji F
w systemie Quartus
ARCHITECTURE tl27_arch OF tl27 IS
BEGIN
pandor: PROCESS (in)
BEGIN
CASE in IS
WHEN "0010111010" => out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY tl27 IS
PORT (
in: IN STD_LOGIC_VECTOR(9
DOWNTO 0);
out: OUT STD_LOGIC_VECTOR(0
DOWNTO 0)
);
END tl27;
Ciekawe jak zachowa się
Quartus z nową procedurą
syntezy logicznej?
ARCHITECTURE tl27_arch OF tl27 IS
BEGIN
pandor: PROCESS (in)
BEGIN
CASE in IS
WHEN "0010111010" => out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out

Implementacja filtru
FIR
F4
F5
F6
F7
F8
F9
Struktura
sumatorów
Bez dekompozycji
Z dekompozycją
LCs F max [MHz] LCs F max [MHz]
pipel. 288 51.28 264 53.76
comb. 224 25.25 204 26.60
pipel. 642 47.62 530 52.36
comb. 527 21.05 444 22.03
pipel. 808 38.61 632 41.49
comb. 710 19.27 551 19.61
pipel. 680 47.62 560 47.85
comb. 576 20.62 476 20.96
pipel. 1404 42.74 834 48.31
comb. 1314 22.73 746 22.73
pipel 2624 31.25 1672 38.61
comb. 2533 14.47 1564 20.92
∑ 12330 8477
% 100 68

Jaka jest przyczyna tej
niekorzystnej sytuacji?
Poziom RTL
Sieć logiczna
Specyfikacja HDL
Synteza funkcjonalna
niedoskonałość procedur
syntezy logicznej
Synteza logiczna
Odwzorowanie
technologiczne
FPGA
27

Skuteczne rozwiązanie zanie tego
problemu…
Tradycyjne procedury
syntezy logicznej
Specyfikacja HDL
Synteza funkcjonalna
Nowe procedury
syntezy logicznej
Synteza logiczna
Odwzorowanie
technologiczne
FPGA
28

Struktury programowalne FPGA znalazły
ogromne zastosowania w układach
cyfrowego przetwarzania sygnałów
„FPGAs are on the verge of
revolutionizing digital signal processing
in the manner that programmable
digital signal processors (PDSPs) did
nearly two decades ago.”
29

TELEFONIA KOMÓRKOWA
PRZETWARZANIE DŹWID
WIĘKU
RADIOFONIA
I TELEWIZJA
Za pośrednictwem cyfrowego przetwarzania
sygnałów w obszar zastosowań układ
adów
programowalnych rozszerza się na wiele dziedzin
elektroniki, informatyki i telekomunikacji
RADIOOMUNIKACJA
TECHNIKA POMIAROWA
TELEMEDYCYNA
30

Nowe możliwo
liwości
Układy programowalne oraz języki opisu sprzętu stały się
postawą koncepcji produktu wirtualnego - systemu,
funkcji lub układu, który nie istnieje w rzeczywistości
materialnej, ale potencjalnie – na podstawie kodu języka
HDL - może być zrealizowany w każdej chwili w
programowalnym module logicznym.
31

Produkty wirtualne – co to jest?
Struktury programowalne uzyskują fizyczną postać konkretnego
układu cyfrowego dopiero w trakcie zaprogramowania.
Z tej przyczyny układy te określa się mianem wirtualnych, gdyż
do momentu zaprogramowania istnieją tylko jako odpowiednie
pliki na dyskach komputerów (a nawet na kartce papieru).
32

Technika produktów w wirtualnych
Rynek własności intelektualnej IP (Intellectual Property)
zawartej w układach zaprojektowanych i oferowanych do
sprzedaży w postaci kodów źródłowych języków HDL.
- ALTERA MEGAFUNCTION
PARTNERS PROGRAM
- XILINX ALLIANCE CORE
- COMMON LICENSE
CONSORTIUM
- IP CATALYST PROGRAM
- EXEMPLAR LOGIC-VENDOR
INCENTIVE PROGRAM (VIP)
- D & R DESIGN-REUSE.
W Polsce: EVATRONIX
-TILAB
- inSILICON CORPORATION
- SIBER CORE TECHNOLOGIES
- DIGITAL COMMUNICATION
TECHNOLOGIES
- ARC CORES
- VIRTUAL IP GROUP INC.
- IP SEMICONDUCTORS
- ALCATEL TECHNOLOGY
LICENSING
33

Evatronix S.A.
Sztuka komputerowego tworzenia
Rola wirtualnych komponentów w projektowaniu
systemów scalonych

Komponenty wirtualne firmy Evatronix
Mikrokontrolery oparte na architekturze 8051
Koprocesory arytmetyczne
Procesory sygnałowe
Kontrolery łączy interfejsowych i sieciowych
Kodery obrazów standardu JPEG2000
35

Komponenty wirtualne firmy Evatronix
W roku 2002 Evatronix S.A. opracowała wirtualny komponent
kontroler Ethernet MAC (Media Access Control) 10/100Mbit.
Komponent ten został zastosowany w...
...airbus A380
gdzie pełni rolę podstawowej arterii wymiany danych pomiędzy wszystkimi
urządzeniami sterującymi i kontrolnym samolotu A380.
36

Podsumowanie
Układy programowalne umożliwiają
budowę systemów cyfrowych łatwo i tanio.
Ich uniwersalność i elastyczność
predestynuje je do wielu zastosowań.
Sytuacja ta czyni z układów
programowalnych jedną z najciekawszych
dziedzin techniki, której opanowanie może
być kluczem do sukcesu zawodowego
wielu specjalistów inżynierii
komputerowej i teleinformatyki.
37