Programmierbare Logikbauelemente

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1 Programmierbare Logikbauelemente Architekturen und Anwendungen von Axel Sikora mit 148 Bildern und 31 Tabellen HANSER

2 Grundlagen Einführung Grundlagen digitaler Schaltungen Grandlagen der Digitaltechnik Aufbau digitaler Schaltungen Aufbau und Verzögerang der logischen Gatter Verzögerang auf Verbindungsleitungen Timing-Budgets in der endlichen Zustandsmaschine Zielfunktionen beim Entwurf integrierter Digitalschaltungen Klassifizierungen und Definitionen Klassifizierung integrierter Schaltungen nach der Umsetzung der Funktionalität Abgrenzung Computing in Time vs. Computing in Space Skalierbarkeit Hardware-Aufwand Echtzeitfähigkeit Verlustleistungsaufnahme Flexibilität Entwurfsprozess Erweiterungen von Mikroprozessoren Klassifizierung integrierter Schaltungen nach dem Marktverhalten Klassifizierung kundenspezifischer Schaltungen Definition programmierbarer Logikbauelemente Märkte, Technologien und Hersteller Historische Entwicklung Marktentwicklung Technologieentwicklung Die umsatzstärksten Hersteller Actel Altera Atmel Cypress Lattice Lucent Quicklogic Xilinx Weitere Hersteller 43

3 Architekturen programmierbarer Logikbauelemente Basisarchitekturen programmierbarer Logikbauelemente Speicherbasierte Tabellen Einfache PLDs Produktbeispiele Produktbeispiele von Vantis Produktbeispiele von Lattice...' Andere Hersteller Systemelemente komplexer programmierbarer Logikbauelemente Logikarchitekturen komplexer programmierbarer Logikbauelemente CPLDs - Monolithische Kaskadierung von PALs FPGAs - Kleine Zellen, komplexe Verdrahtung FPGAs in der Abgrenzung zu CPLDs Sammelbegriffe Klassifizierung von FPGAs Implementierungen von Basiszellen in FPGAs Übersicht Die Basiszelle der Actel ProASIC-Architektur Die Basiszelle der SX-Familie von Actel Die Basiszellen der pasic-familie von Quicklogic Die Basiszellen der Virtex-Familie von Xilinx Die Basiszellen der Spartan-Familie von Xilinx Die Basiszellen der FLEX-Familie von Altera Die Basiszellen der ORCA-Familie von Lucent Die Basiszellen der AT40K-Familie von Atmel Die Basiszellen der APEX-Familie von Altera Vergleich der Logikarchitekturen Überblick Granularität Anzahl der verknüpfbaren Signale Festverdrahtete vs. programmierbare Zelle Speicherbasierende Tabelle vs. Einzelprogrammierung Anwesenheit von Registern Multiplexlogik Verbindungsarchitekturen komplexer programmierbarer Logikbauelemente Allgemeine Anforderungen Symmetrie der Verbindungsarchitektur Auswirkungen eines Schleppfehlers bei der Taktverteilung Verringerung des Timing-Budgets Minimierung des internen Schleppfehlers Unterschiedliche Taktnetze 78

4 IAA Die Verbindungsarchitektur der ProASIC-Familie von Actel Die Verbindungsarchitektur der SX-Familie von Actel Die Verbindungsarchitektur der Virtex-Familie von Xilinx Die Verbindungsarchitektur der AT40K-Familie von Atmel Die Verbindungsarchitektur der APEX-Familie von Altera Konfiguration komplexer programmierbarer Logikbauelemente Speichertechnologien Klassifizierung der Speichertechnologien Verfügbare Produkte SRAM-basierte Technologien Flash-Technologien Antifuse-Technologien Programmieralgorithmen Formate der Konfigurationsdaten Programmierung flüchtiger programmierbarer Logikbauelemente Programmierung nichtflüchtiger programmierbarer Logikbauelemente Ausblick Die I/O-Architekturen komplexer programmierbarer Logikbauelemente Anforderungen Minimierung des Off-chip-Schleppfehlers I/O-Architektur der ProASIC-Familie von Actel Die I/O-Architektur der Virtex-Familie von Xilinx Die I/O-Architektur der APEX-Familie von Altera Speicher in komplexen programmierbare Logikbauelementen Allgemeine Kriterien zur Speichemutzung Die Speicher-Architektur der proasic-familie von Actel Die Speicher-Architektur der ORCA3-Familie von Lucent Die Speicher-Architektur der APEX-Familie von Altera Die Speicher-Architektur der Virtex-Familie von Xilinx Die Speicher-Architektur der AT40K-Familie von Atmel Konvergenz und Differenzierung der Architekturen von Logikbauelementen Aspekte der Konvergenz Zunehmende Verbreitung von Übertragslogik Konvergenz der Basiszellen Konvergenz der Verbindungsarchitekturen Konvergenz der Systemarchitekturen Konvergenz der Programmiertechnik Aspekte der Differenzierung 107

5 10 Inhaltsverzeichnis 3 Schaltungsentwurf mit VHDL Aspekte des Schaltungsentwurfs Historische Entwicklung und schrittweise Erweiterung Einsatz von automatischen Entwurfswerkzeugen Modelle und Simulation Entwurf und Verifikation Bedeutung der Verifikation Funktionale Verifikation Formale Verifikation Hardware-Beschreibungssprachen und prozedurale Programmiersprachen Hardware-Beschreibungssprachen Die Hardware-Beschreibungssprache VHDL Einführung Grandlagen Schaltungsbeschreibungen Verhaltens- und Strakturmodelle Verhaltensmodelle Strakturmodelle Schnittstellen Signale Iterative Instanziierung Parameterübergabe mit Generics Zeit Anforderungen an eine Modellierung der Zeit Modellierung auf Gatterebene Modellierung mit Hilfe der wait-anweisung Nebenläufigkeit VHDL-Prozesse Bearbeitung eines Prozesses Signalzuweisungen Kommunikation zwischen Prozessen Variable Typen Gebündelte Typen Mehrwertige Logik Simulation mit VHDL Ablauf einer Simulation Aufbau einer Verifikationsumgebung Synthese mit VHDL Einführung Beschreibung und Synthese von Schaltnetzen 151

6 Multiplexer Bedingte Zuweisungen Arithmetische Funktionen Beschreibung und Synthese von Schaltwerken Layout von programmierbaren Logikbauelementen Arbeitsschritte Beispiel Entwurfstechniken für programmierbare Logikbauelemente Übersicht Zustandsdiagramme Flussdiagramme Grenzen der graphischen Eingabemethoden Codierung Systementwurf mit programmierbaren Logikbauelementen Bedeutung des Systementwurfs Entwurfsprozess Klassifizierung von Schaltungsmodulen für programmierbare Logikbauelemente Modularer Entwurf unter VHDL Produktbeispiele Kommunikationsbaugruppen Mikroprozessoren und Mikrocontroller Weitere Baugruppen 172 Implementierungen Einführung Ampelsteuerung Aufgabenstellung Zustandsdiagramm der Ampelsteuerung Codierung der Ampelsteuerung Flussdiagramm der Ampelsteuerung Partitionierung des Systems Aufbau der endlichen Zustandsmaschine Implementierung der Ampelsteuerung Simulation der Ampelsteuerung Erweiterungen der Ampelsteuerung Serielle Schnittstelle - UART Aufgabenstellung Partitionierang Das Sendemodul Das Empfangsmodul Verschaltung der Module Implementierung der Testbench für die serielle Schnittstelle 193

7 12 Inhaltsverzeichnis Implementierung der seriellen Schnittstelle Erweiterungen der seriellen Schnittstelle Komponenten eines Mikroprozessors.' Einführung Arithmetisch-logische Einheit Aufbau der Registerstruktur Aufbau der Kontrollstruktur Aufbau der Busstruktur Anwendungen programmierbarer Logikbauelemente Kommerzielle Gesichtspunkte Klassifizierung der Aufwendungen Infrastrukturbezogene Fixkosten Sichere projektbezogene Fixkosten Unsichere projektbezogene Fixkosten Variable Kosten Umsatz Einführung Klassifizierung der Anwendungen Anwendungen als Prototypen Anwendungen mit charakteristischem und meist kurzem Produktlebenszyklus Anwendungen mit geringen Stückzahlen Anwendungen mit moderaten Leistungsanforderungen Kriterien zur Auswahl von programmierbaren Logikbauelementen Einführung Die Entscheidung über den Einsatz programmierbarer Logikbauelemente Die Auswahl programmierbarer Logikbauelemente Die Auswahl eines Dienstleisters Zusammenfassung Rekonfigurierung programmierbarer Logikbauelemente Klassifizierung Paradigmenwechsel Entwurf Zeitanforderungen Netzwerkgestützte Aktualisierung Ausblick 224 Glossar 225 Literaturverzeichnis 232 Sachwortverzeichnis 235