UKŁADY LOGICZNE. Prowadzi: Tadeusz ŁUBA, (GE pok. 472) Wykład dla specjalności: Elektronika i Inżynieria Komputerowa, Inżynieria Biomedyczna (ULOGE)

Transkrypt

1 UKŁADY LOGICZNE Wykład dla specjalności: / Uklady Logiczne Elektronika i Inżynieria Komputerowa, Inżynieria Biomedyczna (ULOGE) ASIC FLEX Prowadzi: Tadeusz ŁUBA, (GE pok. 472) GAL EPLD 1

2 Organizacja Wykład Tadeusz Łuba Laboratorium Kierownik LAB: Dr Adam Wojtasik pok

3 Kolokwia... Laboratorium 40 pkt. Kolo (pod koniec sem.) 60 pkt 3

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

5 Literatura... 5

6 Literatura dla najbardziej zainteresowanych 6

7 7

8 WYKŁADY W ZAKŁADZIE PODSTAW TELEKOMUNIKACJI Plansze i materiały pomocnicze do wykładów z układów logicznych i cyfrowych Uk ady Logiczne (ULOGT) Uk ady Logiczne (ULOGE) Laboratorium Uk adów Logicznych (Telekomunikacja) Uk ady Cyfrowe Synteza i Optymalizacja Uk adów Cyfrowych Elementy Ochrony Informacji Organizacja Sektora Telekomunikacyjnego Projektowanie Programowalnych Uk adów Scalonych Projektowanie Wiarygodnych Systemów Cyfrowych Tu kliknąć! 8

9 04/05/ :10:05 1. Układy logiczne - ULOGT, ULOGE (Tadeusz Łuba) 2. Układy cyfrowe - sem. 4 (Mariusz Rawski) 3. Projektowanie Programowalnych Układów Scalonych (Krzysztof Jasiński, Paweł Tomaszewicz) 4. Technika cyfrowa (Tadeusz Łuba) 5. Układy cyfrowe - projekt 6. Systemy projektowe (MAX+PLUSII), instrukcje, katalogi. 7. ORIENTACJA - Elektronika i Inżynieria komputerowa Tu kliknąć! ERRATA do książ ążki: Synteza Układów Cyfrowych, Praca zbiorowa pod red. prof. T. Łuby, WKiŁ Warszawa ERRATA do skryptu: T. Łuba, B. Zbierzchowski: Układy logiczne, WSISiZ, Warszawa

10 12:26:35 Układy Logiczne: 06/16/2005 o Wykład wstępny-telekomunikacja (PPT kb) o Wykład wstępny-elektronika (PPT kb) o Wykład cz.1 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.2 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.3 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.4a (PDF kb) (PPT kb) o Eksperymenty do wykładu 4 (ZIP kb) o Wykład cz.4b (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.5 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.6a (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.6b (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.6-e (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.7a (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.7b (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.8a-e (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.8b-e (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.8a-t (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.8b-t (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.9 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.10 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.11 (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.12-t (PPT kb) o Wykład cz.12-e (PDF kb) (PPT kb) o Wykład cz.13-t (PDF kb) (PPT kb) o 10

11 Z układami logicznymi mamy do czynienia od dawna... Rok 1847 George Boole "The Mathematical Analysis of Logic" 11

12 ... dzisiaj Układ logiczny 4 12

13 ... Rozwój j technologii ASIC 40 mln. tranzystorów 10 mln. bramek 13

14 Rozwój technologii Full Custom Semi custom Układy programowalne układy zamawiane przez użytkownika układy projektowane przez użytkownika układy programowane przez użytkownika (PLD) 14

15 UKŁADY PROGRAMOWALNE Osiągają pojemność pozwalającą realizować w jednym układzie systemy o złożoności odpowiadającej milionom bramek logicznych Układy mające możliwość reprogramowania i rekonfiguracji FPLD PLD Fabryka na biurku SOPC układy programowane przez użytkownika (PLD) 15

16 UKŁADY PROGRAMOWALNE 16

17 Systemy CAD Synteza funkcjonalna Synteza logiczna Odwzorowanie technologiczne Miliony bramek FPGA 17

18 Nowoczesna synteza logiczna 1984 (Espresso) Synteza dwupoziomowa Rozwój technologii Synteza wielopoziomowa Synteza matryc PLA 1990 Minimalizacja symboliczna Dekompozycja funkcjonalna

19 Problem w tym, że najnowsze procedury syntezy logicznej nie są jeszcze wbudowane do komercyjnych systemów projektowania układów cyfrowych 19

20 Systemy komercyjne i uniwersyteckie Komercyjne systemy projektowania nie nadążają za rozwojem technologii. Dlatego powstają Uniwersyteckie Systemy Syntezy Logicznej (USSL): niewygodne do bezpośredniego projektowania, ale generują wyniki niekiedy 10-krotnie lepsze I to jest główną przyczyną tego, że wykład ten wbrew obiegowej opinii ma ogromne znaczenie dla praktyki projektowania układów cyfrowych 20

21 Eksperyment z algorytmem DES W eksperymencie tym porównamy wyniki syntezy uzyskiwane w komercyjnym systemie projektowania układów cyfrowych (MAX+PLUSII) z wynikami uzyskanymi przy wspomaganiu tego systemu nie stosowanymi jeszcze w systemach komercyjnych procedurami dekompozycji funkcjonalnej. 21

22 Jakość projektu... Komórka logiczna We/wy Kanały połączeniowe... określa liczba zajętych komórek 22

23 Schemat blokowy rundy algorytmu DES Runda R E S 1 S 2 S 3 K S 4 S 5 P S 6 S 7 L S 8 23

24 Operacja podstawienia DES-a 24

25 Wyniki syntezy S-Boxów S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 MAX+Plus II Liczba komórek log Max. opóźnienie [ns] 28,1 31,6 33,5 34,0 28,4 30,4 34,3 31,4 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8 MAX+Plus II Liczba komórek log DEMAIN Max. opóźnienie [ns] 19,5 17,2 16,7 19,0 19,0 19,4 17,7 17,6 Ponad 3 krotna redukcja komórek logicznych

26 Znaczenie praktyczne... Ciekawe jak to wpływa na realizację całego projektu 26

27 Implementacja algorytmu DES Altera 709 komórek logicznych P = 28,8 MHz / 16 x 64 bits = 115 Mbit/s Altera + DEMAIN 296 komórek logicznych P = 51,5 MHz / 16 x 64 bits = 206 Mbit/s 27

28 Znaczenie dekompozycji 585 komórek 184 komórek Ograniczenie układu EPF10K 576 komórek Realizacja bez dekompozycji Realizacja z zastosowaniem dekompozycji 28

29 Układ kryptograficzny Opis innych eksperymentów można znaleźć w książce 29

30 Podsumowanie Realizacje różnych układów np. kryptograficznych, DSP, w strukturach PLD/FPGA, z zastosowaniem nowoczesnych metod syntezy logicznej, a w szczególności Uniwersyteckich Systemów Syntezy Logicznej, to ze względu na dynamikę rozwoju technologii szanse przede wszystkim dla aktualnie studiujących 30

31 Więcej na ten temat w książce: 1. WSTĘP 1.1. Rola i znaczenie syntezy logicznej 1.2. Technologie mikroelektroniczne układów cyfrowych 1.3. Programowalne moduły logiczne 1.4. Zagadnienia związane z projektowaniem układów cyfrowych 1.5. Charakterystyka zagadnień syntezy logicznej 31