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1 A igitltehnik 2 Tehnologie Abstrkte hlter hlter in Hrdwre Integrierte hltkreise Phsiklishe Aspekte Lthes, lipflops und loks evision.5 ield-progrmmble Gte Arrs (PGAs) Logikgtter Logi Gtes Abstrkte hlter Grundbustein von digitlen hltungen Implementieren Boole she unktionen Gtter ht mehrere ingänge, meist einen Ausgng Logishe Belegung pro erbindung (ingng/ausgng): oder Phsiklishe epräsenttion: pnnung pnnung 3.3 hltet für = hltet für = Idee: hlter geshlossen oberer und unterer Anshluss verbunden igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 3 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 4 Inverter und NO ls Beispiel Inverter mit bstrkten hltern Inverter logishe Negtion invertiert den ingngswert NO isjunktion mit nshließender Negtion Ausgng gdw. beide ingänge ingng Ausgng + Wie ein kputter Misher in der ushe für wrmes und kltes Wsser! (entweder kltes Wsser von unten, oder wrmes von oben) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 5 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 6

2 Inverter mit komplementären hltern Inverter mit komplementären hltern sperrt ingng Ausgng ingng Ausgng Wrmer ingng shltet nur den unteren hlter! Klter ingng shltet nur den oberen hlter! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 7 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 8 NO mit bstrkten hltern NO mit bstrkten hltern Ausgng Ausgng ingänge z = nor ingänge z = nor igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 9 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie NO mit bstrkten hltern NO mit bstrkten hltern zweiter hlter sperrt immer noh Ausgng Ausgng ingänge z = nor ingänge z = nor igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 2

3 Geläufige hlter-implementierungen NMO Tehnologie: Phsiklishe Implementierung eines hlters Beispiele: kuum-öhre BJT: Bipolr Juntion Trnsistor, verwendet in TTL TTL: Trnsistor-Trnsistor Logik T: eld ffekt Trnsistor, verwendet in MO MO von MOT = Metl Oide emionduter MO: omplementr MO (unser Huptinteresse) oure Metll n dotiert Gte Metll ubstrt p dotiert rin Metll n dotiert Implementierung eines hlters mit dotiertem ilizium n/p-otierung: Übershuss negtiver/positiver Ldungsträger ul dzu PMO: pnnungen und logishe Zustände jeweils umgekehrt! Insultor io 2 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 3 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 4 NMO Offen NMO Geshlossen oure Gte rin oure Gte rin Insultor io 2 Insultor io 2 n dotiert perrshiht ubstrt p dotiert n dotiert n dotiert n Knl ubstrt p dotiert n dotiert pnnung Gte/oure : hlter offen (kein trom) pnnung Gte/oure > : hlter geshlossen (pos. rin/oure trom) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 5 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 6 hltbilder MO Inverter rin rin PMO IN uf : PMO shltet, NMO sperrt OUT uf Gte Gte IN OUT oure NMO oure PMO GN NMO IN uf : PMO sperrt, NMO shltet OUT uf Tipp: http: //tms- Jv Animtionen der meisten Gtter igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 7 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 8

4 MO NO MO NAN nor nnd GN GN igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 9 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 2 MO AN-NO Threestte-Buffer u v ( nd ) nor (u nd v) u in not en en out in wird negiert durhgeleitet zu out gdw. en uf liegt, sonst ist out hohohmig (unverbunden) v GN GN igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 2 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 22 Trnsmission-Gte Multipleer Alterntive Implementierung eines Threestte-Buffers mit Trnsmission-Gte z not en out = if z then else in out not z out bruht weniger Trnsistoren (Übung!) not z with-level Modellierung in erilog en GN rei logishe Ausgngs-Zustände:,, Z (hohohmig) z igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 23 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 24

5 Integrierte hltkreise I = Integrted iruits Integrierte hltkreise I = Integrted iruits NAN Gtter Zwei ingänge in Ausgng igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 25 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 26 Leiterpltten-ntwurf PB = Printed iruit Bords Leiterpltten-ntwurf PB = Printed iruit Bords Zusmmenlöten oder erdrhten von kleinen Is ikosten: Prototp für Pltinen (Leiterpltten) reht billig Aufwendige Produktion Lngsm und nur mäßig fleibel Teuer in großen tükzhlen IP OP TOP igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 27 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 28 LI LI er Lrge le Integrtion (sehr hohe Integrtionsdihte), uh LI tükpreis gering Msken sehr teuer (bis zu Million ollr) Lithogrphishe Produktion von sehr vielen Gttern uf einem hip Gemessen in Trnsistoren (Ungefähr 4- Trnsistoren pro Gtter) Millionen Gtter uf einem hip (hlbe Millirde Trnsistoren) trukturgröße: kleinste truktur hip ( nm =. µm) rlubt stem on hip Intel Presott, 9nm Prozess, 25 Mio. Trnsistoren uf 22mm 2 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 29 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 3

6 inzelpreis und ikosten pnnungs-level für MO 5 Je kleiner der inzelpreis desto höher die ikosten (z.b. Msken) AIs (Applition-peifi I) für hohe tükzhlen AIs werden zumeist vom hip-hersteller speziell gefertigt Tpisher Nme Beshreibung Wert IHm m. pnnung erknnt ls logish 5. IHmin min. pnnung erknnt ls logish 3.5 ILm m. pnnung erknnt ls logish. ILmin min. pnnung erknnt ls logish. Progrmmierbre hltkreise können vom esigner ngepsst werden OHm m. pnnung erzeugt ls logish 5. OHmin min. pnnung erzeugt ls logish 4.9 OLm m. pnnung erzeugt ls logish. OLmin min. pnnung erzeugt ls logish. igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 3 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 32 Inverter Kennlinie törbstnd törbstnd erlubt erst zuverlässige digitle hltungen! O O I OHmin 5 OHmin törbstnd High 5 IHmin ILm OLm törbstnd Low OLm O I ILm IHmin I Zwei Inverter in erie igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 33 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 34 nout-begrenzung nout-bäume nout = Anzhl Gtter verbunden mit dem Ausgng eines Gtters Abhilfe bei Übershreiten der noutbegrenzung: Begrenzung M-nout in TTL: erteilung des tromes verringert erreihte ingngsspnnung Tpisher Wert 2 Gtter Begrenzung M-nout in MO: geringer tromfluss ber kpizitäre ffekte der erbindungen (interonnet) hohe Kpzität m Ausgng führt zu lngen hltzeiten lässt sih erst nh dem Lout berehnen nout-bum (engl. nout-tree) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 35 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 36

7 hltzeiten hltzeiten I Bisherige Idelisierung: Umshlten ist unendlih shnell Ttsähliher ignlüberng O t phl t plh Zeit Zeit t tlh Kompromiss t thl t phl hltzeit von High nh Low t plh hltzeit von Low nh High igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 37 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 38 Timing-igrmm hltzeiten in erilog b z b ns ns 2 ns 3 ns 4 ns z s Timing-igrmm zeigt zeitlihe Abhängigkeiten zwishen den ignlen Kombintorishe Logik mit erzögerung: ssign #del = b; Nur zur Modellierung und imultion ds nthesetool knn die ttsählihen hltzeiten niht beeinflussen Generierung von Testvektoren mit einem initil begin... end Blok igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 39 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 4 hltzeiten in erilog Kritisher Pfd timesle ns / ns module gte del(input, output b,, z); ssign # b =!; 5 ssign # =!b; ssign # z =!; endmodule module gte del tb; wire b,, z; reg ; Gtter AN O XO NOT Lufzeit 3 ns 4 ns 7 ns 5 ns gte del M(, b,, z); 5 initil begin =; #5; =; #; =; end Gesmtverzögerung: NOT+XO+O = = 6 ns endmodule igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 4 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 42

8 erfhren zur Bestimmung des längsten Pfdes Hzrds Längster Pfd ➀ ie ingänge der hltung mit beshriften. ➁ ➂ ür lle Gtter, deren ingänge beshriftet sind: den Ausgng des Gtters mit m{ingänge } + t p beshriften. ind noh unbeshriftete Ausgngsleitungen vorhnden, dnn gehe zu ➁. b d e z b d e z ➃ ie Länge des längsten Pfdes ist m{ausgänge }. Ausgngssignl z wehselt zweiml bevor es stbil wird! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 43 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 44 Lthes und lipflops -Lth mit NANs Bisher: lles kombintorish Ausgbewerte sind unktion der ingngswerte Wir würden ber gerne ten speihern! = et = eset Lthes sind pegelgesteuerte peiher-lemente lipflops sind flnkengesteuerte peiher-lemente engl. edge triggered vs. level sensitive trih in bedeutet Wert im nähsten Zustnd (keine Negtion) rste Zeile ist unerwünsht, d und niht komplementär! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 45 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 46 infher -Lth -Lth mit NOs et eset mn knn uh sttt NANs zwei NOs nehmen ( liegt dnn m Ausgng vom gespeisten NO) NAN rinte ht tive-low et & eset NO rinte ht tive-high et & eset Hlten Hlten mit Invertern igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 47 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 48

9 Level-ensitiver -Lth mit nble-ignl Level-ensitiver JK-Lth J K Lth K J und werden nh ußen geführt mskiert durh ( = eset, = et, = nble) zusätzlihes nble-ignl und Mskierungslogik vermeidet Hzrds Annhme: und sind nie gleihzeitig wenn = (sonst ht mn eben = = ) J K orteil: ist immer! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 49 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 5 Nhteil des JK-Lths -Lth J K Oszilltion tritt ein bei (J, K) = (, ) Oszilltions-requenz bhängig vom el (J, K) = (, ) drf lso niht zu lnge nliegen dies lässt sih in der Pris niht erreihen zwei-stufiger level-sensitiver hltkreis mit nble-ignl zweite tufe: beknnter -Lth (speihert den Zustnd) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 5 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 52 -lipflop Positive und negtive lnkensteuerung ingng (dt) Tkt (lok) Zustnd Neg. Zustnd steigend fllend meistgebruhtes und einfhstes sequentielles Buteil: speihert ingngswert für einen Tktzklus reiek bedeutet flnkengesteuert (engl. edge triggered) entweder steigende oder fllende lnke oft mit zusätzlihem snhronem reset oder set ingng engl. flling nd rising lok edge übliherweise steigende lnke (positive lnke) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 53 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 54

10 -lipflop mit positiver lnkensteuerung -lipflop mit positiver lnkensteuerung Übergngstbelle rinnerung: trih in bedeutet Wert im nähsten Zustnd Änderung des ingngswerts wirkt sih erst bei der nähsten lnke us positive lnke, negtive lnke igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 55 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 56 Mster-lve -lipflop -lipflop mit snhronem eset & et LK Aufgebut us zwei -Lthes ( Mster und lve ) Mster rbeitet n der steigenden lnke lve rbeitet n der fllenden lnke (erzeugt und ) et: (, ) = (, ) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 57 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 58 -lipflop mit snhronem eset & et -lipflop mit snhronem eset & et eset: (, ) = (, ) lok Low: (,, ) = (,, ) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 59 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 6

11 -lipflop mit snhronem eset & et -lipflop mit snhronem eset & et nur n lnke wird Zustnd der ersten tufe in die zweite übernommen Anlse muss eplizit lle Trnsitionen betrhten Anlse solher snhroner hltkreise ist sehr mühsm (wir hben nur wenige zenrien durhgespielt) lok Positive lnke: (,, ) = (,, ) Motivtion für etup- und Hold-el erkennbr: s der. tufe müssen sih erst uf bzw. einshwingen und unterstes NAN muss noh beim Wehsel von weiterhin lesen igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 6 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 62 Lth in erilog -lipflop in erilog reg q; ) if () q <= d; stndrdkonform ssign q <=? d : q; ssign q <= (d && ) (q &&!); niht stndrdkonform lipflops werden stndrdkonform wie folgt implementiert: reg q; ) q <= d; nthese bildet konforme Beshreibung uf Lth us Bibliothek b niht konforme Beshreibung evtl. ls snhrone Logik implementiert: niht zu empfehlen, d Gefhr von Hzrds Ahtung: Genuer Inhlt der ensitivitätsliste ist lok) Zuweisung muss niht vollständig sein igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 63 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 64 erilog: Kombintorish vs. sequentiell Hzrd in selbst-gestriktem -Lth module ombintionl( input, b, sel, output reg out); 5 ( or b or sel) begin if (sel) out = ; else out = b; end endmodule module sequentil( input, b, sel, lk, output reg out); 5 (posedge lk) begin if (sel) out <= ; else out <= b; end endmodule N b out b out Annhme: gleihes Unit-el für lle Gtter (z.b. ns) sel sel lk Wir betrhten den folgenden Übergng: (, ) = (, ) nh (, ) = (, ) reg knn uh rein kombintorish sein! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 65 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 66

12 Hzrd in selbst-gestriktem -Lth Hzrd ls Wve-orm N N N N N N N (idelisierte W, d el von relistishen Gtter untershiedlih) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 67 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 68 Hzrd in selbst-gestriktem -Lth ermeidung von Hzrds durh redundnte Logik Hzrd tritt beim Übergng von = nh = uf, wobei = = Ahtung: Anlse zeigt nur, dss ein Problem bestehen könnte Genuere Anlse mit PI möglih (Trnsistor-Level imultion) mn behte: sollte sih eigentlih niht ändern wenn immer = und = ändert sih nihts, unbhängig von (lso bleibt uf erhlten) Idee: füge die Bedingung ls redundnten Min-Term hinzu (logishe Äquivlenz ergibt sih us Konsensus-egel) ( ) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 69 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 7 -Lth ohne Hzrd ormle(re) Anlse von snhronen hltkreisen Wir hben ds normle -Lth konstruiert: undmentl Mode Annhme : Immer nur ein ingng ändert sih Annhme 2: Änderung eines ingngs erst nh tbilisierung iese Annhmen sind ntürlih debttierbr. und sollten sih nie gleihzeitig ändern! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 7 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 72

13 Anlse im undmentl Mode Metstbile Zustände Idee: füge bei eedbk-loops einen virtuellen Buffer ein weitere Annhme: gesmte els nur noh im Buffer ndere Gtes hben lso Zero-el (nur relistish bei hltkreisen ohne Hzrd) Anlsiere resultierende kombintorishe Übergngsfunktion: uhe nh metstbilen Zuständen Y Y Zustnds-Tbelle Y Y Y Y. Bei = geht der hltkreis in einen stbilen Zustnd (Y = Y ) über. 2. Bei = gibt es keinen stbilen Zustnd, denn solnge = ist, toggelt Y. igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 73 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 74 ormle(re) Anlse m Beispiel Konstruktion von snhronen hltkreisen Y Y pezifiktion spriht übliherweise uh über lnken Y Y Y Y Y Y Änderungsreihenfolge der Zustndsvriblen muss vernhlässigbr sein nsonsten gibt es res Y Y ie Zustände und sind die stbilen Zustände. dnn muss mn Hzrds vermeiden (durh edundnz) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 75 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 76 ield-progrmmble Gte Arrs (PGAs) Aufteilung in Zellen rinnerung: hohe tükzhl niedriger Preis Ziel: unktionlität wie herkömmlih hergestellter hip, ber beliebig oft progrmmierbr Grundlegende Idee: ein -bit AM mit Adressbits knn jede Booleshe unktion über Argumente implementieren AM (und dmit unktion) knn beliebig oft geändert werden Problem: bereits unktion mit nur 32 Argumenten bruht 2 32 /8 Btes = 5 MB AM ehlt noh: Lth/lipflop Abhilfe: hltung us Zellen ufbuen Zellen implementieren beliebige unktion Lssen sih ber niht beliebig kombinieren Kombintion us AM (look-up tble) und 2 egistern: onfigurble Logi Blok (LB) erbindung zwishen Zellen: Interonnet Noh dzu: AM Multiplizierer igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 77 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 78

14 Aufteilung in Zellen LB OUT LB lie XY I/O-Pin I/O-Blok Logik-Blok Interonnet I/O-Blok lie XY OUT lie XY lie XY IN Interonnet Überblik PGA IN X32: 242=48 LBs (. 2. Gtter) igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 79 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 8 lie LUTs I 4 LUT Y Y b f = b b f LUT = b f 9 () Konfigurtion ls kombintorishe Logik oder Konfigurtion wird ebenflls über AM gesteuert Belegung des AMs im LUT knn einfh us der unktionstbelle bgelesen werden! igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 8 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 82 LUT Mini-uiz Interonnet Gegeben seien die unktionen o = (b d) ( d) ( d) o 2 = ( e) ( e) (b e) d f wobei lle riblen ein Bit breit sind. ouble lok 8 8 iret He Long iret ouble lok ie unktionen sollen nun mit der Hilfe von 4-ingng Lookup Tbles (LUT) implementiert werden (Klusur Herbst 28) LB iret He Long igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 83 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 84

15 AM uf dem PGA Multiplizierer Niht verwehseln mit AM uf dem Bord! hneller ls Multiplizierer us LBs lls AM us LBs niht reiht oder zu lngsm ist X32: 2 AMs, insgesmt 2284 Bits Mit zwei Lese/hreibports Breite ist konfigurierbr Knn initilisiert werden (z.b. mit einem Progrmm) ingbe: zwei 8-Bit Zhlen im Zweierkomplement Ausgbe: 36-Bit rgebnis X32: 2 tük igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 85 igitltehnik Kpitel 2: Tehnologie 86