1 / 41

Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused

Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused. J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12 L18. Digitaalsüsteemide automaat- projekteerimine, sünteesi etapid. L19. Süsteemi- ja kõrgtasemesüntees.

bonnie
Télécharger la présentation

Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Füüsikalise taseme projekteerimine Kompleksete süsteemide iseärasused • J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” - 1.5, 1.8-12 • L18. Digitaalsüsteemide automaat- projekteerimine, sünteesi etapid. • L19. Süsteemi- ja kõrgtasemesüntees. • L20. Füüsikalise taseme projekteerimine. Kompleksete süsteemide iseärasused. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  2. Füüsiline realiseerimine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  3. Füüsiline realiseerimine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  4. Pakendamistase Kristall 1. tase MCM / Kiip 2. tase Trükkplaat 3. tase Emaplaat 4. tase Kast Pakendamine • Kristall  kiip  trükkplaat  kapp • Tavamured: ühendused (viited) • Lisaks: toide, jahutamine, hooldamine, jne. I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  5. Kiipide/korpuste näited DIP PLCC SOIC PPGA (Intel) FCBGA (Intel) SEPP (Intel) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  6. Pakendamise näited hübriidmikroskeem prototüüpimine ruumiline montaaž IBM POWER5 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  7. Pakendamine – korpused • Füüsilised nõuded ja piirangud • mõõtmed, liidesed • vastupidavus - tolm, vibratsioon • Termilised nõuded ja piirangud • töötemperatuuri vahemik • jahutamine / küte • Elektrilised nõuded ja piirangud • elektritoide • kaitse - liigpinge, elektromagnetväljad • Ergonoomilised nõuded ja piirangud • väljanägemine, kasutajaliides, müra I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  8. Füüsikalise taseme süntees • Loogikalülid  transistorid / traadid • Transistorid / traadid  polügonid (maskid) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  9. maskid – ilmutamine söövitamine / lisamine pakendamine testimine Brown University Robert Richmond, 2003 AMD Wikipedia Mikroskeemide valmistamine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  10. Mikroskeemide valmistamine sammud söövitamisel sammud valmistamisel (inverter) CMOS transistorid 2-NAND I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  11. Mikroskeemide valmistamine 2-NAND 2-NOR 2-2-AND-NOR flip-flop http://www.vlsitechnology.org/ I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  12. Pinnaplaneering floorplanning Paigaldamine placement 3 2 A C B D A B D 1 C 3 3 3 3 variandid 1 2 2 1 1 2 2 1 4 4 4 4 Füüsikalise taseme süntees • Tükeldamine • partitioning I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  13. Füüsikalise taseme süntees • Ruutimine e. trasseerimine • routing • Labürindi läbimine • maze running • 1, 2 või N korraga • 1 või enam kihte • mälumaht! • Joone otsimine • lõikejoon • Globaalne ja detailne • Optimeerimine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  14. Trükkplaadid • Valmistamine ja projekteerimine • töökindlus, maksumus, jõudlus (töökiirus) • PCB (Printed Circuit Board) • Komponendid • mikroskeemid, transistorid, takistid, kondensaatorid jne. • Ühendused • Liidesed • Kinnitused • Trükkplaadi valmistamine • Komponentide paigaldamine (ja kinnitamine) • Elektriliste ühenduste loomine (nt. jootmine) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  15. Trükkplaatide valmistamine • Vasega (Cu) kaetud tekstoliit ( klaasriie & epoksüvaik) • Ühekihiline trükkplaat • ühendusrajad (alumine pool) • Kahekihiline trükkplaat • ühendusrajad • metalliseeritud läbiviigud • Mitmekihiline trükkplaat • mitu kahekihilist plaati • läbiviikude asukohad! ühekihiline kahekihiline mitmekihiline I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  16. Trükkplaatide valmistamine • Väikeseeriad / üksikeksemplarid • Täielikult vasega kaetud plaat (1- või 2-kihiline) • Läbiviikude puurimine (drilling) • Läbiviikude galvaaniline metalliseerimine • Ühendusradade loomine == liigse vase eemaldamine • liigse metalli söövitamine (etching) 1) kaitsekihi peale kandmine (radade positiivkujutis)   a) kaitselaki / -värvi joonistamine / siiditrükk   b) printimine (fototundlik materjal, termokiled jne.) 2) söövitamine (FeCl3, HNO3 jne.) • liigse metalli välja freesimine (milling) • Komponentide paigaldamine • vajaduse korral ka kinnitamine (nt. liimimine) • Jootmine • mehhaniseeritud (tinalaine) või käsitsi I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  17. Trükkplaatide valmistamine • Suurseeriad • Läbiviikude puurimine (metalliga katmata plaat) • Ühendusradade loomine == vasekihi galvaaniline kasvatamine • keemiliselt kantakse peale õhuke vasekiht • radade asukohtade trükkimine (fotolitograafia) • galvaaniline radade kasvatamine vajaliku paksuseni (tagab ka läbiviikude metalliseerimise) • liigse vase eemaldamine (söövitamine) • Kaitsekihi (-laki) ja jootevedeliku/-tinaga katmine • Komponentide (mehhaniseeritud) paigaldamine • vajaduse korral ka kinnitamine (nt. liimimine) • Jootmine • mehhaniseeritud I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  18. Through-hole Wave Soldering Gigabyte Factory Tour (PCSTATS.com) Trükkplaatide valmistamine • Valmistamine • komponentide kinnitamine • jootmine • jootevedelik / -tina • termilised probleemid • suured vasepinnad • komponentide ülekuumenemine • kvaliteedi kontroll • visuaalne • lõppviimistlus • puhastamine • kaitselakkimine • lõpptestimine • funktsionaalsuse kontroll I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  19. Trükkplaatide valmistamine SMD Wave Soldering SMD Reflow Soldering I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  20. Trükkplaatide valmistamine • Praktilisi nõuandeid (mõõtühik on mil– 1/1000 tolli, st. 0,0254 mm) • Augud • mida väiksem auk, seda kallim plaat • väikseimad augud võiksid olla 0,5 mm või suuremd • mida paksem plaat, seda suuremad augud • 2 mm plaat → mitte alla 0,4 mm augud • Ühendusrajad • liiga kitsad rajad ja radadevahed tekitavad probleeme • soovitav laius 0,25 mm (10 mil) • Polügonid (suured pinnad, nt. maakiht) • kasutatakse ekraaniks, jahutamiseks jne. • väikseim vahe polügoni ja radade vahel vähemalt 0,25 mm • Jootemask • jooteplatsi jaoks peaks olema jootemaskis (kaitselakk) vastav auk • Markeering • ei tohi sattuda jootekohtadele, täpsus ~0,5 mm I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  21. Skeemist moodulini Skeemi sisestamine Komponentide paigaldamine siinide asukohad tugikomponendid Ruutimine harakapesa (rat-nest) asendamine traatidega toiteühendused Kontroll (DRC) radade mõõtmed radadevahelised kaugused aukudevahelised kaugused jne. PCB Design Tutorial David L. Jones http://www.alternatezone.com/ Mõningaid soovitusi Toite ühendamine filterkondensaatorid Siinide ühendamine Mitmekihilised plaadid läbiviikude tüübid – läbi terve plaadi, (osaliselt) peidetud läbiviikude asukohad – sünkroniseerimine Trükkplaatide projekteerimine toide siinid I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  22. Trükkplaatide projekteerimine • EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) • CadSoft Online – http://www.cadsoft.de/ skeemi redaktor pinnalaotuse redaktor I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  23. Protsessorseadmed • Protsessor toas – lambid, transistorid • Protsessor kapis – integraalskeemid (SSI) • IBM 360/370, PDP-7/11 • Protsessor plaadil – LSI, RISC • silp-protsessorid, lisaplaadid mälu, jms. Jaoks • Protsessor kiibil – VLSI • i8080, z80, m6800, … • Üldotstarbelised mikroprotsessorid • täisarv- ja ujukoma-aritmeetika • paindlikud aadresseerimisviisid • OS riistvaraline toetus • mitmeastmeline konveier • VLIW – Very Long Instruction Word I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  24. Protsessorseadmed • Signaalitöötlusprotsessorid • DSP – Digital Signal Processor • püsikoma-aritmeetika, piiratud aadresseerimisviisid • väga lihtne sise-ehitus • Mikrokontrollerid • piiratud aritmeetika ja aadresseerimisviisid • loogikatehted ja bititöötlus; s/v ja juhtimise organiseerimiseks • Süsteem kiibil [SoC e. kiipsüsteem] • protsessorid kiibil (aga mitte ainult) • ARM, PowerPC jne. tuumad • eri protsessoritüübid erisugustele ülesannetele • mälu- ja siinisüsteemid • Liidesprotsessorid • andmevahetus (protokollid), loogikaoperatsioonid ja mälupöördused I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  25. Mälusüsteemid, -hierarhia • Üldotstarbelised (mikro)protsessorid • nähtavuse alusel • registrid, pinumälu, põhimälu, kõvaketas, CD, lindid jne. • hierarhia alusel • registrifail, peidikmälud – põhimälu, kõvaketta jne. jaoks • Digitaalsüsteemid • nähtavuse alusel • registrid, vahemälud (peidikmälud), põhimälu • arhitektuuri alusel • ühine mälu (jaotatud mälu) • registrifail, ühine põhimälu, ... • hajutatud mälu • üksikud registrid, võrk, ... I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  26. SoC – mudel funktsionaalne mudel PE – protsessorseade (CPU, DSP, ASIC) LM - lokaalne mälu FIFO - puhvermälu SoC – arhitektuur protsessorseade peidikmälu (L1) lokaalne mälu osa ühisest mälust eraldi mälu (L2) puhvermälu FIFO FIFO FIFO PE PE LM LM Mälusüsteemid, -hierarhia I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  27. Digitaalsüsteemide siinid • Arvutisiinid • protsessori sisesiinid • mälusiinid • s/v siinid • Protokollid • otsene seos arhitektuuriga • peidikmälu ploki sünkroniseerimine põhimäluga • nt. ARM-7/9 • peidikmälu plokk (cache line) - 8*32 bitti • põhimälu pöördus - 11 tsüklit, 8*32 bitti I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  28. Digitaalsüsteemide siinid • SoC • siinide hierarhia • moodulite sisesiinid • moodulitevahelised siinid • üks siin hierarhias • mitu siini hierarhias • hajutatud siinid • homogeensed siinid • heterogeensed siinid I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  29. Digitaalsüsteemide siinid • NoC – Network-on-a-Chip • siinide hierarhia • moodulite sisesiinid • moodulitevaheline siinide võrk • võrgu arhitektuurid • ühine siin mõne mooduli vahel • andmevahetus - teadete edastamine • teadete marsruteerimine • kommunikatsioonisõlmed • isehäälestuv andme-edastus I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  30. S/V alamsüsteemid • Digitaalsisendid, -väljundid • s/v kontrollerid ja protsessorid • s/v puhvrid ja võimendid • voolu-, pinge- ja võimsusvõimendid • Analoogsisendid, -väljundid • digitaal-analoog muundurid (DAC) • analoog-digitaal muundurid (ADC) • analoogskeemid digitaalsel kiibil • mürad, tehnoloogia, ... I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  31. Sardtarkvara • 99% protsessoritest sardsüsteemide turul • Sardtarkvara arhitektuur • riistvara • draiverid • reaalaja opsüsteem (RTOS) • rakendusprogrammid • RTOS • mitu programmi, igal omad tähtajad • väike mälutarve (~10KB) • välismälu (kettad jms.) puudumine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  32. Testitavus • Hästitestitavate süsteemide disain • DFT - Design for Testability • Funktsionaalsest testimisest ei piisa • Diagnostiline testimine lihtsam, kui testitavus on projekteerimisel arvesse võetud • Testide genereerimine oluliselt lihtsam • Kombinatoorsete süsteemide testimine • Mäluga skeemide testimine • Vähesed punktid otseselt jälgitavad • Täiendavate mõõtepunktide loomine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  33. Töökindlus • Tõrke tõenäosus komponendi kohta • Mida rohkem komponente, seda väiksem on töökindlus • päästab dubleerimine • veakindel kodeerimine kasutab sama trikki! • Suurem integratsiooniaste • rohkem elemente kristallil - suurem töökindlus • väiksemad elemendid - väiksem töökindlus • mürad, elektromagnetkiirgus, kosmilised osakesed I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  34. Töökindlus • Rikke tõenäosus • sissetöötamisel, normaaltöös, lõpus... • Komponendid süsteemis • töökindluste tõenäosuste korrutis • r = r1 * r2 * r3 * . . . * rN • r1 = 0,99; r2 = 0,95 -- r = 0,94 • Dubleeritud komponendid • rikete tõenäosuste korrutis • r = 1 - (1- r1) * (1-r2) * (1-r3) * ... * (1-rN) • r1 = 0,99; r2 = 0,95 -- 0,9995 I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  35. Asünkroonsed süsteemid • J.F. Wakerly “Digital Design: Principles and Practices” – 8.8 • Asünkroonne andmevahetus • mitu taktsignaali, pikad siinid jne. • Isetakteeruvad moodlid • signaalide võistlus (signal race) I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  36. Ülekandeliinid transmission lines Valguse kiirus Parameetrid pikkus  takistus, induktiivsus, mahtuvus Sobitus peegeldused! Mahtuvused traat-kristall & traat-traat Induktiivsused traat antennina & traat-traat L - traadi pikkus W - traadi laius Cw ~ L · hw / d Ci ~ L · W / hi Mw ~ L / d2 Mw d hw hi d Pikad liinid I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  37. maa info info maa /info Sidestus - ülekostvus • Pikad ühendustraadid - lahendusi • varjestamine (koaksiaal) • keerutatud paar • Arhitektuursed lahendused • info pakkimine I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  38. 2000. a. 2 Gbit 8·106 1.5 GHz 0.5 GHz 2000 800 mm2 140 nm 1.5 V 100 W 0.5 W Homne päev? mälu suurus transistore cm2-l sisemine taktsagedus välimine taktsagedus väljaviike kristalli pindala traadi laius toitepinge võimsustarve võimsustarve (akutoide) 2010. a. 256 Gbit 160·106 10 GHz 1.5 GHz 6000 1300 mm2 40 nm 0.6 V 170 W 1.5 W 2020. a. 1024 Gbit 480·106 40 GHz 2.5 GHz 10000 1800 mm2 10 nm 0.5 V 300 W 2.5 W I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  39. Tulevik? • Nano-tehnoloogiad? QCA – Quantum-dot Cellular Automata CMOL = CMOS + nano I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  40. Eksam • Kestus – 2 tundi • 40 punkti 54-st on 100% • ~1/3 - Teooria • Elektroonikasüsteemide modelleerimine • Boole’i funktsioonide esitusviisid ja süntees • Automaatide esitusviisid ja süntees • Standartsed loogikaelemendid ja moodulid • Digitaalsüsteemide projekteerimine • Kompleksete süsteemide iseärasused I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

  41. Eksam • ~1/2 - Loogika ja automaadid • automaadi realiseerimine • tabeli ja funktsioonide süntees ja minimeerimine • paar pisiülesannet • kindla lahendusmeetodi nõue • ~1/10 - VHDL • väiksema mooduli/süsteemi modelleermine • väiksemad süntaksi vead on lubatud • Materjalide kasutamine on lubatud I207 - Digitaalloogika ja -süsteemid - L20

More Related