Kapitel 2 Übersicht über den Entwurfsablauf

Transkript

1 Kapitel 2 Übersicht über den Entwurfsablauf 1 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

2 Einführung neuer Produkte Marktanalyse Kapitel 2 Pflichtenheft Electronic Design Übersicht über den Entwurfsablauf Masken /Layoutdaten PCB /Chiptechnologie 2 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

3 Entwurfsetappen Übersicht Pflichtenheft Systementwurf Systemspezifikation Kapitel 2 Überprüfung Strukturentwurf Übersicht über den Logikplan Entscheidung zur Zielrealisierung physikalischer Entwurf Entwurfsablauf Überprüfung Überprüfung Maskendaten 3 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

4 Funktionseinheiten eines Elektroniksystems Sensoren Aktoren analoge Baugruppen digitale Baugruppen A/D bzw. D/A Wandler Schnittstellen Oberflächen Energieversorgung 4 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

5 Repräsentation der Module Die Module werden repräsentiert durch: Silizium Bezeichnung: XYZ Eingänge: A B C D Dokumentation Funktion (zeitbewertet) A = B * C Simulation Symbol (Außenstruktur) Stromlaufplan physikalische Abmessungen a b Floorplanning Teststrategie Test des Gesamtsystems CAD Interface EDIF, CIF Dateien CAD Tools innere Struktur Modultest Layout Fertigung 5 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

6 Y Diagramm I Vereinheitlichtes Modell der Design Repräsentation Verhalten Ebenen Architektur Algorithmisch Register Transfer Struktur Logik Bauelemente Geometrie Domänen Struktur: abstrakte Implementation des Designs bildet die Mittelachse zwischen der Verhaltens und der physikalischen Achse 6 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

7 Y Diagramm II Verhalten Architektur Algorithmisch Register Transfer Struktur Systemspezifikation Algorithmen Wortoperationen Boolesche Gleichungen Differentialgleichungen Logik Bauelemente Systeme (CPU) Subsysteme Module (ALU, MUX, Register) Gatter, Flipflops Transistoren Masken, Polygone Subzellen Makrozellen Floorplan geometrische Partitionierung Geometrie 7 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

8 MOS Transistor im Y Diagramm 8 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

9 Die Abstraktionsebenen I elektrische Ebene Differentialgleichungen: kontinuierliche Beziehungen (sehr hoher Informationsgehalt) Verknüpfung realer physikalischer Größen (Strom, Spannung) Beschreibung der Eigenschaften elektronischer Bauelemente (z. B. Transistoren) Strukturkomponenten: R, C, L, T, D Logikebene basierend auf Boolescher Algebra Abstraktion von realen physikalischen Größen Abstraktion von konkreten Zeitabhängigkeiten der interessierenden Größen (Beschränkung auf Verzögerungs und Anstiegszeiten) Strukturkomponenten: Grundelemente der digitalen Schaltungstechnik (Gatter, Flipflop) 9 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

10 Die Abstraktionsebenen II Register Transfer (RT ) Ebene Beschreibung des Verhaltens einer Schaltung ähnlich einer Programmiersprache Formulierung von Verknüpfungen und Zuweisungen von und an Variable Variablen haben abstrakten Typ: Abstraktion von der tatsächlichen Kodierung mit binären Vektoren Benutzung allgemeiner Operationen (+, ), keine Beschränkung auf boolesche Operatoren verwendete Variablen werden den Registern der späteren Realisierung gleichgesetzt algorithmische Ebene höchstes in der Entwicklung von Tools derzeit aktuelles Niveau Beschreibung der Eigenschaften ähnlich einer Programmiersprache abstrakte Operationen auf abstrakten Variablen; z. B. keine direkte Identifikation der verwendeten Variablen mit physikalischen Registern der späteren Realisierung 10 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

11 Die Abstraktionsebenen III Systemebene Funktionalität kommunizierende Prozesse Prozesse meist als autarker Automaten modelliert, die mittels Komunikationskanälen interagieren Constraints (Randbedingungen/Restriktionen/Leistungskriterien) höchstes Abstraktionsniveau Zeit: Kausalität 11 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

12 Entwurfsetappen im Y Diagramm Systementwurf Verhalten Struktur Systemspezifikation Algorithmen Wortoperationen Boolesche Gleichungen Differentialgleichungen Strukturentwurf Systeme (CPU) Subsysteme Module (ALU, MUX, Register) Gatter, Flipflops Transistoren Masken, Polygone Subzellen Makrozellen Floorplan geometrische Partitionierung Geometrie 12 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

13 Beschreibung der Entwurfsetappen Systementwurf: Entwurfsschritte von der Idee des Gesamtsystems, dokumentiert im Pflichtenheft bis zur fertigen Systemspezifikation inkl. der Abbildung von der Verhaltens auf die Strukturachse auf hoher Ebene Architekturentwurf, Problempartitionierung, Hierarchieaufbau Verifikation und Vergleich der gefundenen Lösungen Strukturentwurf: Entwurf von der fertigen Systemspezifikation (die bereits die Detaillierung der Systemkomponenten beinhaltet) bis zum Logikplan (Struktur) Compilierung und Zuweisungen Optimierungen physikalischer Entwurf: Entwurf der Layoutpolygone aus der kompletten, abbildbaren Struktur und Verhaltensbeschreibung Nutzung von Zellen und Generatorbibliotheken Platzieren, Verdrahten 13 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

14 Hierarchische Partitionierung Problempartitionierung Aufteilung des Gesamtproblems auf mehrere kleinere Module, die miteinander geeignet in Verbindung stehen diese Module sind wieder aus Modulen oder Elementen aufgebaut Konzept der Hierarchie ist nicht identisch mit dem Konzept der Abstraktionsebenen (Y Diagramm) Abstraktionsebenen ergeben sich durch ein bestimmtes Beschreibungskonzept, welches typisch für die jeweilige Ebene ist. Das Beschreibungskonzept ist je nach Ebene mehr oder weniger abstrakt. Elemente einer Hierarchie spiegeln die Aufteilung (Dekomposition) eines gegebenen Problems wieder Schlussfolgerung: Entwurf kann auf jeder einzelnen Abstraktionsebene hierarchisch dargestellt werden Hierarchie kann andererseits mehrere Ebenen überspannen 14 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

15 Einige Begriffsdefinitionen Synthese Verhalten Struktur Detaillierung Optimierung Generierung Synthese Analyse Generierung Extrahierung Detaillierung Abstrahierung Geometrie Detaillierung Implementation 15 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

16 Methode der Synthese Übergang von einer formalen Verhaltensbeschreibung bis zu einer dieses Verhalten realisierenden Struktur globale Unterscheidung: horizontale Synthese: allgemeiner Ansatz für alle Arten von Schaltungen vertikale Synthese: beschränkt auf spezielle Arten von Schaltungen (DSP, Filter); daher sind die Methoden und Optimierungsverfahren auf die speziellen Zielimplementierungen zugeschnitten Entsprechend dem Abstraktionsgrad der zugrunde gelegten Verhaltensbeschreibung unterscheidet man: Systemsynthese algorithmische Synthese (High Level Synthese) Register Transfer Synthese Logiksynthese 16 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

17 Arten der Synthese I Logiksynthese Ausgangspunkt sind Boolesche Gleichungen oder Wahrheitstabellen Kombinatorik und sequentielle Schaltungen, die sich als klassischer Automat darstellen lassen Register Transfer Synthese Einbeziehung nichtboolescher Operationen (z.b. arithmetische) direkte Identifikation der verwendeten Variablen mit Registern Steuerwerk wird explizit beschrieben 17 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

18 Arten der Synthese II algorithmische Synthese Synthese der Schaltungsstruktur aus einer algorithmischen Beschreibung keine explizite Trennung von Datenweg und Steuerwerk; Steuerwerk ist implizit enthalten keine a priori Festlegung, dass den verwendeten Variablen in der resultierenden Struktur Register entsprechen müssen wesentliche Aufgabe: Ermittlung der minimalen Registerzahl automatische Bestimmung der notwendigen Registersteuerung Systemsynthese Unterstützung bei der Problempartitionierung und der Erarbeitung der konkreten algorithmischen Spezifikation Bereitstellung und Verwendung von Systemkomponenten Gegenstand weiterer Forschung 18 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

19 Datenmengen in den Entwurfsetappen Beschreibungsart Algorithmus Datenmenge 3 MByte Blockschaltplan 12 MByte Logikplan 70 MByte Layout 500 MByte Fazit: enorme Datenreduktion bei Beschreibung auf algorithmischer Ebene 19 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

20 Argumente für eine Beschreibung auf algorithmischer Ebene höchste Beschreibungsebene, die sich derzeit mit Softwarewerkzeugen verarbeiten lässt je abstrakter die Beschreibungsebene, desto effizienter sind komplexe Schaltungen und Systeme beschreibbar (Datenreduktion) Restriktionen durch verfügbare Konstrukte wird durch Effizienzgewinn ausgeglichen mögliche Realisierungsalternativen können mit relativ geringem Aufwand ausschöpfend verglichen werden Schaltungsentwurf auf Logikplanebene erfordert zum Teil erhebliches Wissen über die Schaltungstechnik und technologische Randbedingungen (Verhalten und Verfügbarkeit der Bibliothekselemente) der Systemdesigner kann sich auf seine eigentliche Arbeit konzentrieren Verbesserung der Entwurfsdokumentation von der Systemspezifikation bis zur physikalischen Realisierung Motivation zur Nutzung standardisierter komplexer Subsysteme ohne Notwendigkeit der Kenntnis ihrer internen Funktionsweise 20 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

21 Zeitlicher Aufwand beim VLSI Entwurf 21 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

22 Entwurfsautomatisierung Bestandteile Generierung und Synthese Verifikation Datenhaltung auf verschiedenen Ebenen Ziele Reduzierung von Entwurfs und Entwicklungszeiten Reduzierung von Entwicklungskosten weitgehendes Ausschließen von Entwurfsfehlern (Correctness by Construction) Vereinfachung von Änderungen während der Entwurfsphase Untersuchung von Designalternativen Absicherung der Überprüfbarkeit des Entwurfs Absicherung und Vereinfachung des Tests (Design for Testability) Nutzung durch Anwender ohne Spezialkenntnisse der Zielrealisierung 22 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

23 Anwenderschnittstelle vom Anwender maßgeblich beeinflusster Teil des Entwurfsprozesses (manuelle und automatische Bearbeitung des Designs) Anwenderschnittstelle (Freigabe des Designs) vom Anwender wenig beeinflusster Teil des Entwurfsprozesses (weitgehend automatische Abarbeitung) 23 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

24 Lage der Anwenderschnittstelle I Logikplan (Strukturachse, Gatterebene) noch anzutreffen weitgehend manuelle Entwicklung des Logikplans Nutzung von Schematic Entry Software und TTL ähnliche Zellenbibliotheken Auswahl einer Zellenbibliothek vor der Eingabe (Restriktion auf ihre Elemente) späterer Wechsel der Zellbibliothek aufwendig, wenn nicht gar unmöglich (Retargeting) Blockschaltplan (Strukturachse, Modulebene) Entwurf der Blockstruktur ohne weitere manuelle Detaillierung Detaillierung erfolgt durch Tools, die auf eine zu wählende Zellbibliothek zugreifen Komplexität der manuellen Arbeit reduziert sich gegenüber der Logikplaneingabe erheblich 24 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

25 Lage der Anwenderschnittstelle II Logikgleichungen, Zustandsübergangstabellen (Verhaltensachse, Logikebene) Spezifikation unabhängig von einer Zellbibliothek Logiksynthese Register Transfer Beschreibung (Verhaltensachse, Funktionsebene) Beschreibung des Datenflusses durch den Entwickler mittels explizierter Angabe der Registersteuerung Umsetzung der RT Beschreibung auf der Verhaltensachse in eine Blockstruktur ist nahezu eine 1:1 Abbildung (direkte Überführung der Variablen in Register) 25 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

26 Lage der Anwenderschnittstelle III Algorithmus (Verhaltensachse, algorithmische Ebene) aktuelles Abstraktionsniveau weitgehende Unabhängigkeit von späterer Zielrealisierung Nutzung von Synthesewerkzeugen mit sehr hohem Automatisierungsgrad und Variabilität kommerzielle Tools Mischformen derzeit kein Quasi Standard für die Lage der Anwenderschnittstelle absehbar nach Festlegung der Architektur entscheidet der Designer, welche Module er algorithmisch, mit Booleschen Gleichungen oder strukturell beschreibt Einbeziehung von Vorleistungen (fertige Designs für Teile des Systems) leicht möglich 26 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

27 Automatisierung des System und Strukturentwurfs 3 Aspekte: Methode: Synthese für Verhaltensbeschreibung auf algorithmischem Abstraktionsniveau sind gute Tools kommerziell verfügbar Bedeutung wird in den nächsten Jahren mit steigenden Komplexitäten weiter anwachsen Eingabemedium: Sprache vorgestern bis gestern : vorwiegend graphische Eingabe des Logikplans (Struktur) heute : Verwendung von Beschreibungssprachen, HDL Hardware Description Language (VHDL, Verilog), System Level SystemC Graphik-Eingabe auf höherem Level 27 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

28 Automatisierung des physikalischen Entwurfs Automatische Umsetzung der Schaltungsstruktur in Polygoninformation für die Maskendaten Heute werden bereits die wesentlichen Problemfelder Digitaltechnik zufriedenstellend behandelt. Erreichen der Ziele durch: Schaffung von ASIC Strategien (Gate Array, Cell Array) Vorentwurf und Simulation von häufig benötigter Schaltungsanordnungen in (parametrisierbaren) Zellen Entwicklung von Modulgeneratoren für reguläre Layoutstrukturen Akkumulation von Informationen über vorentworfene Zellen und Generatoren in Bibliotheken Schaffung leistungsfähiger Werkzeuge zur Platzierung und Verdrahtung 28 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

29 Automatisierter Hardwareentwurf im Vergleich zur Softwarelösung Gemeinsamkeiten Start von formaler algorithmischer Beschreibung auf hohem Abstraktionsniveau Strukturierung der Beschreibung nach funktionellen Gesichtspunkten Ziel: Entlastung des Entwerfers hinsichtlich notwendiger Kenntnisse und Fähigkeiten auf dem Gebiet der anvisierten Zielrealisierungen Befehlssatz des Prozessors Eigenschaften der PCB bzw. Haltleitertechnologie Unterschiede Softwareentwurf: Entwurf eines Controllers für einen gegebenen Datenpfad Berücksichtigung von physikalischen Beschränkungen durch die Implementation bereits in der Konzeptphase erheblich größere Vielfalt der Realisierungsmöglichkeiten stark eingeschränkte Zugriffsmöglichkeiten auf Testsignale 29 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

30 Der Begriff des Silicon Compiler Idee Verhalten Struktur Spezifikation des Schaltungsverhaltens Nutzung einer HDL: ENTITY example IS PORT (in1: IN boolean; in2: IN integer); Silicon Compiler Geometrie Chip 30 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

31 Silicon Compiler Meet in the Middle Verhaltensbeschreibung auf hohem Abstraktionsniveau (Algorithmen) V S Synthese G Struktur Meet in the Middle abstrakte Zellen MSI und LSI Funktionen CAD System (Zellen, Modulgeneratoren) V S Maskendaten G 31 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

32 Darstellung der Entwurfsstrategien 32 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

33 Integrierte Entwurfsumgebung Tool 1 Tool 2 Tool 3 einheitliche Nutzerinterface Datenbasis Tool n Basis (UNIX/Linux Workstation) Tools: Datenzugriff: Anzeige und Modifikation der in der Datenbasis enthaltenen Information durch den Designer Implementation: Synthese und Layoutgenerierung Optimierung Verifikation 33 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

34 Modell der Designdaten 34 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

35 Systemdatenbasis Daten der Entwurfsobjekte Designer Versionsmanager Zugriffsmanager Editor Interface Design View Manager Design Entity Manager Designdaten manager Design Entity Graph Design Data Representation Graph Tools Consistency checker Design Quality Evaluator 35 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt

36 Komponentendatenbasis Beschreibungen Schematics Schematics Verhalten Struktur Geometrie Generatoren Schätzfunktionen Request Optimierer Anfragen Knowledge Server Komponentenserver Daten 36 Entwurf integrierter Systeme Dr.-Ing. Steffen Arlt