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Elettronica dei Sistemi Digitali
Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08
• Aldo Romani, [email protected] tel. 0543 786924• http://www.micro.deis.unibo.it/~romani/esd2005
( http://www-micro.deis.unibo.it/cgi-bin/dida?~romani/www/Dida03 )
• http://campus.cib.unibo.it/
• Ricevimento– Lab ARCES-LYRAS, Forlì, Via Seganti 103
(5 Min a piedi dalla facolta’ di Ingegneria di Forlì, hangar aeroporto) Su appuntamento
– II Facoltà Ing., Cesena Giovedì 14-15, prima della lezione (nella sede dove ci sarà lezione: via Rasi/LELE)
(ma In genere prima e dopo le lezioni)
– Concordare direttamente altri momenti
Elettronica dei Sistemi Digitali
Struttura del Corso
• Il corso sarà strutturato in due parti, indipendenti tra loro:
1. una parte di teoria (aritmetica computazionale, sistemi e architetture digitali, protocolli di comunicazione, memorie)
2. progettazione di reti digitali su dispositivi FPGA tramite il linguaggio di descrizione hardware VHDL
Elettronica dei Sistemi Digitali
Parte 1• Corso di Teoria da svolgersi in aula. Verranno fornite
dispense sulle lezioni svolte sul sito del corso.
• Testi di consultazione, reperibili in biblioteca:
J.Rabaey, A.Chandrakasan, B.Nikolic: “Digital Integrated Circuits: A design perspective”/“Circuti integrati digitali: l’ottica del progettista” 2nd /3rd Edition, Prentice Hall 2003
Slides delle lezioni del prof.Rabaey (UC Berkeley), dal sito del testo.
P.Spirito, “Elettronica Digitale”, 2ed., McGraw-Hill
J. Hennessy, D. Patterson: “Computer Architecture. A Quantitative Approach” Morgan Kaufmann Publishers, 1990
Elettronica dei Sistemi Digitali
Parte 2• Esercitazioni da svolgersi nel laboratorio didattico di Via Venezia
(tipicamente, giovedì pomeriggio, ma non la prima settimana di corso!!)
• Le esercitazioni verteranno sul progetto di circuiti digitali su FPGA Altera e sulla realizzazione di semplici circuiti con microcontrollori Microchip PIC
• Sul sito del corso appariranno esercizi svolti e soluzioni.• Il software per le esercitazioni e’ gratuito, e puo’ essere installato
seguendo le istruzioni sul sito www.altera.com
• Testo di riferimento: Richard Geissler, Slavek Bulach “VHDL Manual” (online Università di Ulm, sito web del corso)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Forma dell’Esame
• Prova scritta di Teoria (~2 h), nessun appunto/dispensa/libro concesso– In genere 4 domande aperte sulle parti del corso.
• Prova pratica di progetto in laboratorio (2h), ogni tipo di documentazione e’ permesso (no calcolatori portatili, no mezzi di comunicazione)
• Le prove sono indipendenti, possono essere svolte lo stesso appello o separatamente (solitamente le prove si svolgono lo stesso giorno)
• Il voto finale e’ la media aritmetica dei due risultati
Elettronica dei Sistemi Digitali
Appelli di Esame
Ancora da stabilire. Probabilmente:
• Immediatamente dopo la fine delle lezioni• Prima dell’inizio dell’ultimo ciclo di lezioni
• Altri due appelli a Giugno, Luglio
• Liste su Uniwex, Risultati sul sito del corso
• Da Settembre, appelli personalizzati su richiesta dello studente ogni 3,4 settimane, compatibilmente con il numero di persone.
Elettronica dei SistemiDigitali L-A
Università di Bologna, sede di Cesena
A.a. 2005-2006
F.Campi
Elettronica dei Sistemi Digitali
Sistemi Elettronici Digitali
SISTEMA DIGITALE = Sistema che trasmette e/o mantiene informazione sotto forma di grandezza elettrica DISCRETA
(rappresentata attraverso un valore FINITO)
In pratica, I sistemi digitali utilizzano come unita’ di memorizzazione e comunicazione il BIT LOGICO (1,0)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Sistemi Digitali
ALGORITMOALGORITMOX(t) Y(t)
(stato)(stato)
Applicazioni: Applicazioni:
• Controllo di Sistemi/Processi fisiciControllo di Sistemi/Processi fisici
• Elaborazione dei segnali Digitali (DSP Digital Signal Processing)Elaborazione dei segnali Digitali (DSP Digital Signal Processing)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture Digitali di Calcolo
ALGORITMOALGORITMOX(t) Y(t)
ASICASIC ArchitettureArchitetture
ProgrammabiliProgrammabili
(P, DSP, MCU)
FPGAFPGA
Elettronica dei Sistemi Digitali
The First Computer
The BabbageDifference Engine(1832)
25,000 partscost: £17,470
Elettronica dei Sistemi Digitali
ENIAC - The first electronic computer (1946)
Elettronica dei Sistemi Digitali
The Transistor Revolution
First transistorBell Labs, 1948
Elettronica dei Sistemi Digitali
The First Integrated Circuits
Bipolar logic1960’s
ECL 3-input GateMotorola 1966
Elettronica dei Sistemi Digitali
Intel 4004 Micro-Processor
19711000 transistors<1 MHz operation
Elettronica dei Sistemi Digitali
Intel Pentium 4 Microprocessor
2000
42 million transistors
>1.5 GHz
Elettronica dei Sistemi Digitali
Moore’s Law
In 1965, Gordon Moore (Intel) noted that the number of transistors on a chip doubled every 18 to 24 months. He made a prediction that semiconductor technology will double its effectiveness every 18 months
Elettronica dei Sistemi Digitali
Moore’s Law
161514131211109876543210
195
9
196
0
196
1
196
2
196
3
196
4
196
5
196
6
196
7
196
8
196
9
197
0
197
1
197
2
197
3
197
4
197
5
LO
G 2 O
F T
HE
NU
MB
ER
OF
CO
MP
ON
EN
TS
PE
R I
NT
EG
RA
TE
D F
UN
CT
ION
Electronics, April 19, 1965.
Elettronica dei Sistemi Digitali
Transistor Counts
1,000,000
100,000
10,000
1,000
10
100
11975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
8086
80286i386
i486Pentium®
Pentium® Pro
K1 Billion 1 Billion
TransistorsTransistors
Source: IntelSource: Intel
ProjectedProjected
Pentium® IIPentium® III
Courtesy, Intel
Elettronica dei Sistemi Digitali
Die Size Growth
40048008
80808085
8086286
386486 Pentium ® proc
P6
1
10
100
1970 1980 1990 2000 2010Year
Die
siz
e (m
m)
~7% growth per year~2X growth in 10 years
Die size grows by 14% to satisfy Moore’s LawDie size grows by 14% to satisfy Moore’s Law
Courtesy, Intel
Elettronica dei Sistemi Digitali
Frequency
P6Pentium ® proc
486386
28680868085
8080
80084004
0.1
1
10
100
1000
10000
1970 1980 1990 2000 2010Year
Fre
qu
ency
(M
hz)
Doubles every2 years
Courtesy, Intel
Elettronica dei Sistemi Digitali
Power Dissipation
P6Pentium ® proc
486
3862868086
80858080
80084004
0.1
1
10
100
1971 1974 1978 1985 1992 2000Year
Po
wer
(W
atts
)
Lead Microprocessors power continues to increaseLead Microprocessors power continues to increase
Courtesy, Intel
Elettronica dei Sistemi Digitali
Not Only Microprocessors
Digital Cellular Market(Phones Shipped)
1996 1997 1998 1999 2000
Units 48M 86M 162M 260M 435M Analog Baseband
Digital Baseband
(DSP + MCU)
PowerManagement
Small Signal RF
PowerRF
(data from Texas Instruments)(data from Texas Instruments)
CellPhone
Elettronica dei Sistemi Digitali
A “short list” of embedded systems
And the list goes on and on
Anti-lock brakesAuto-focus camerasAutomatic teller machinesAutomatic toll systemsAutomatic transmissionAvionic systemsBattery chargersCamcordersCell phonesCell-phone base stationsCordless phonesCruise controlCurbside check-in systemsDigital camerasDisk drivesElectronic card readersElectronic instrumentsElectronic toys/gamesFactory controlFax machinesFingerprint identifiersHome security systemsLife-support systemsMedical testing systems
ModemsMPEG decodersNetwork cardsNetwork switches/routersOn-board navigationPagersPhotocopiersPoint-of-sale systemsPortable video gamesPrintersSatellite phonesScannersSmart ovens/dishwashersSpeech recognizersStereo systemsTeleconferencing systemsTelevisionsTemperature controllersTheft tracking systemsTV set-top boxesVCR’s, DVD playersVideo game consolesVideo phonesWashers and dryers
Elettronica dei Sistemi Digitali 25
Challenges in Digital Design
“Microscopic Problems”• Ultra-high speed design• Interconnect• Noise, Crosstalk• Reliability, Manufacturability• Power Dissipation• Clock distribution.
Everything Looks a Little Different
“Macroscopic Issues”• Time-to-Market• Millions of Gates• High-Level Abstractions• Reuse & IP: Portability• Predictability• etc.
…and There’s a Lot of Them!
?
Elettronica dei Sistemi Digitali
Productivity Trends
1
10
100
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
200
3
198
1
198
3
198
5
198
7
198
9
199
1
199
3
199
5
199
7
199
9
200
1
200
5
200
7
200
9
10
100
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
100,000,000
Logic Tr./ChipTr./Staff Month.
xxx
xxx
x
21%/Yr. compoundProductivity growth rate
x
58%/Yr. compoundedComplexity growth rate
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Lo
gic
Tra
nsi
sto
r p
er C
hip
(M)
0.01
0.1
1
10
100
1,000
10,000
100,000
Pro
du
ctiv
ity
(K)
Tra
ns.
/Sta
ff -
Mo
.
Source: Sematech
Complexity outpaces design productivity
Co
mp
lexi
ty
Courtesy, ITRS Roadmap
Elettronica dei Sistemi Digitali
Why Scaling?• Technology shrinks by 0.7/generation• With every generation can integrate 2x more
functions per chip; chip cost does not increase significantly
• Cost of a function decreases by 2x• But …
– How to design chips with more and more functions?– Design engineering population does not double every
two years…
• Hence, a need for more efficient design methods– Exploit different levels of abstraction
Elettronica dei Sistemi Digitali
Design Abstraction Levels
n+n+S
GD
+
DEVICE
CIRCUIT
GATE
MODULE
CHIP
BOARD
SYSTEM
Elettronica dei Sistemi Digitali
Design Metrics
• How to evaluate performance of a digital circuit (gate, block, …)?– Cost– Reliability– Scalability– Speed (delay, operating frequency) – Power dissipation– Energy to perform a function
Elettronica dei Sistemi Digitali
Cost of Integrated Circuits
• NRE (non-recurrent engineering) costs– one-time cost factor– design time and effort, mask generation
• Recurrent costs– proportional to volume– proportional to chip area– silicon processing, packaging, test
Elettronica dei Sistemi Digitali
Design challenge – optimizing design metrics
• Common metrics– Unit cost: the monetary cost of manufacturing each copy of
the system, excluding NRE cost
– NRE cost (Non-Recurring Engineering cost): The one-time monetary cost of designing the system
– Size: the physical space required by the system
– Performance: the execution time or throughput of the system
– Power: the amount of power consumed by the system
– Flexibility: the ability to change the functionality of the system without incurring heavy NRE cost
Elettronica dei Sistemi Digitali
Design challenge – optimizing design metrics
• Common metrics (continued)– Time-to-prototype: the time needed to build a working
version of the system
– Time-to-market: the time required to develop a system to the point that it can be released and sold to customers
– Maintainability: the ability to modify the system after its initial release
– Correctness, safety, many more
Elettronica dei Sistemi Digitali
NRE Cost is Increasing
Elettronica dei Sistemi Digitali
Die Cost
Single die
Wafer
From http://www.amd.com
Going up to 12” (30cm)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Yield%100
per wafer chips ofnumber Total
per wafer chips good of No.Y
yield Dieper wafer Dies
costWafer cost Die
Defects
Elettronica dei Sistemi Digitali
Fan-in and Fan-out
N
Fan-out N Fan-in M
M
Elettronica dei Sistemi Digitali
Delay Definitions
Vout
tf
tpHL tpLH
tr
t
Vin
t
90%
10%
50%
50%
Elettronica dei Sistemi Digitali
Ring Oscillator
v0 v1 v5
v1 v2v0 v3 v4 v5
T = 2 tp N
Elettronica dei Sistemi Digitali
A First-Order RC Network
vout
vin C
R
tp = ln (2) = 0.69 RC
Important model – matches delay of inverter
Elettronica dei Sistemi Digitali
Power Dissipation
Instantaneous power: p(t) = v(t)i(t) = Vsupplyi(t)
Peak power: Ppeak = Vsupplyipeak
Average power:
Tt
t
Tt
t supplysupply
ave dttiT
Vdttp
TP )(
1
Elettronica dei Sistemi Digitali
Energy and Energy-Delay
Power-Delay Product (PDP) =
E = Energy per operation = Pav tp
Energy-Delay Product (EDP) =
quality metric of gate = E tp
Elettronica dei Sistemi Digitali
Dynamic PowerVdd
Vout
isupply
CL
E0->1 = CLVdd2
PMOS
NETWORK
NMOS
A1
AN
NETWORK
E0 1 P t dt
0
T Vdd isupply t dt
0
T Vdd CLdVout
0
Vdd
CL Vdd 2= = = =
Ecap Pcap t dt
0
T Vouticap t dt
0
T CLVoutdVout
0
Vdd 1
2---C
LVdd
2= = = =
vout
CL
Elettronica dei Sistemi Digitali
Flow Graph
Computazione nello SPAZIO (ASIC)
Computazione nel TEMPO (Microprocessori)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Flow Graph
Computazione nello SPAZIO attraverso blocchi PROGRAMMABILI (FPGA)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture per elaborazione dati
Architetture Programmabili(Microprocessori) Computazione nel tempo Inefficienza Elevato consumo di potenza
lw $2,alw $2,alw $3,blw $3,baddu $2,$2,$3addu $2,$2,$3mul $2,$2,$2mul $2,$2,$2lw $4,clw $4,clw $5,dlw $5,dlw $31,16($sp)lw $31,16($sp)addu $4,$4,$5addu $4,$4,$5sll $3,$4,1sll $3,$4,1addu $3,$3,$4addu $3,$3,$4lw $5,elw $5,esubu $2,$2,$3subu $2,$2,$3addu $2,$2,$5addu $2,$2,$5sw $2,ressw $2,res
Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture per elaborazione dati
ASICs Computazione nello spazio Notevole sforzo di progetti, Alti NRE costs Bassa riusabilita’, breve tempo di vita
Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture per elaborazione dati
FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) Elaborazione nello spazio
Programmazione VHDL, non familiare a sviluppatori
in ambiente C/Matlab
Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture per Elaborazione Dati