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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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Elettronica dei SistemiDigitali L-A
Università di Bologna, sede di Cesena
A.a. 2005-2006
F.Campi
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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)
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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)
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Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture Digitali di Calcolo
ALGORITMOALGORITMOX(t) Y(t)
ASICASIC ArchitettureArchitetture
ProgrammabiliProgrammabili
(P, DSP, MCU)
FPGAFPGA
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Elettronica dei Sistemi Digitali
The First Computer
The BabbageDifference Engine(1832)
25,000 partscost: £17,470
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Elettronica dei Sistemi Digitali
ENIAC - The first electronic computer (1946)
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Elettronica dei Sistemi Digitali
The Transistor Revolution
First transistorBell Labs, 1948
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Elettronica dei Sistemi Digitali
The First Integrated Circuits
Bipolar logic1960’s
ECL 3-input GateMotorola 1966
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Elettronica dei Sistemi Digitali
Intel 4004 Micro-Processor
19711000 transistors<1 MHz operation
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Elettronica dei Sistemi Digitali
Intel Pentium 4 Microprocessor
2000
42 million transistors
>1.5 GHz
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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
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Elettronica dei Sistemi Digitali
Moore’s Law
161514131211109876543210
195
9
196
0
196
1
196
2
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3
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4
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5
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6
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7
196
8
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9
197
0
197
1
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2
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3
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4
197
5
LO
G 2 O
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Electronics, April 19, 1965.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
![Page 25: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/25.jpg)
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!
?
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Elettronica dei Sistemi Digitali
Productivity Trends
1
10
100
1,000
10,000
100,000
1,000,000
10,000,000
200
3
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9
200
1
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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
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(K)
Tra
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ff -
Mo
.
Source: Sematech
Complexity outpaces design productivity
Co
mp
lexi
ty
Courtesy, ITRS Roadmap
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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
![Page 28: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/28.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Design Abstraction Levels
n+n+S
GD
+
DEVICE
CIRCUIT
GATE
MODULE
CHIP
BOARD
SYSTEM
![Page 29: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/29.jpg)
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
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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
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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
![Page 32: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/33.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
NRE Cost is Increasing
![Page 34: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/34.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Die Cost
Single die
Wafer
From http://www.amd.com
Going up to 12” (30cm)
![Page 35: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/36.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Fan-in and Fan-out
N
Fan-out N Fan-in M
M
![Page 37: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/37.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Delay Definitions
Vout
tf
tpHL tpLH
tr
t
Vin
t
90%
10%
50%
50%
![Page 38: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/38.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Ring Oscillator
v0 v1 v5
v1 v2v0 v3 v4 v5
T = 2 tp N
![Page 39: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/40.jpg)
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
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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
![Page 42: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/43.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Flow Graph
Computazione nello SPAZIO (ASIC)
Computazione nel TEMPO (Microprocessori)
![Page 44: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/44.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Flow Graph
Computazione nello SPAZIO attraverso blocchi PROGRAMMABILI (FPGA)
![Page 45: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/45.jpg)
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
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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
![Page 47: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/47.jpg)
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
![Page 48: Elettronica dei Sistemi Digitali Elettronica dei Sistemi Digitali L-A 2007/08 Aldo Romani, aromani@arces.unibo.itaromani@arces.unibo.it tel. 0543 786924](https://reader035.vdocumenti.com/reader035/viewer/2022062219/5542eb5a497959361e8c725e/html5/thumbnails/48.jpg)
Elettronica dei Sistemi Digitali
Architetture per Elaborazione Dati