Sistemas Embebidos 1º Cuatrimestre de 2015

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1 Sistemas Embebidos 1º Cuatrimestre de 2015 Clase 11: Contenido Introducción : concepto y tecnologías Categorías de SPLDs CPLDs FPGAs Procesadores Soft-Core Prof: Sebastián Escarza Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur Bahía Blanca, Buenos Aires, Argentina Introducción El hardware de los sistemas embebidos se compone de un CPU, memoria y dispositivos. Hasta el momento hemos considerado que dicho hardware era fijo, incluido en un SoC o mediante un conjunto de ASICs conectados al microcontrolador. Sin embargo, actualmente existe una tendencia creciente en la utilización de hardware programable. Es cada vez más común el uso de dispositivos programables integrados en los microcontroladores (SoCs y boards). Introducción Ventajas en la utilización de hardware programable: muy útil para el prototipado p de soluciones y para el análisis de diseños alternativos (menores costos non-recurring engineering (NRE) costs) muy sencillo realizar actualizaciones mayor flexibilidad y menores costos en cada iteración del proceso de diseño menor time to market para productos nuevos mayor reuso de componentes La idea es diseñar un circuito en software e implementarlo en hardware. Se tiene la flexibilidad del desarrollo de software y la performance del hardware. Prof: Sebastián Escarza 1

2 Introducción Sin embargo: diseñar con HW programable es más complejo presentan mayor delay y área, y peor performance que un ASIC tienen mayor costo y consumo por unidad (que un ASIC) no aptos para diseños simples que no aprovechan la flexibilidad Originalmente: se prototipaba con estas herramientas se encargaban ASICs en base a dichos prototiposp Actualmente existe una tendencia creciente a incluir hardware programable en las soluciones finales a partir de cierto costo. Un dispositivo programable es un componente electrónico que permite la implementación de funciones mediante la combinación y reconexión de elementos más simples. Se compone de elementos discretos más una lógica de interconexión reconfigurable. A diferencia del hardware fijo, no implementa una funcionalidad determinada. La función es programada en el dispositivo luego de fabricado. En este contexto, para un diseño de sistema embebido hay yque determinar qué funcionalidad: se implementa en hardware fijo se implementa en hardware programable se implementa en software La introducción de hardware programable desdibuja los límites entre el desarrollo de software y el desarrollo de hardware. Prof: Sebastián Escarza 2

3 Existen distintas tecnologías de hardware programable que determinan cómo el dispositivo es configurado (cómo se interconectan sus elementos básicos): Fusible-link Antifuse technology SRAM-based technology EPROM/EEPROM/Flash-based technology Fusible-link No usado en los dispositivos actuales. Removiendo los fusibles se selecciona qué entradas serán computadas (se programa el dispositivo). Anitfuse technology En estado no programado: antifuse en alta impedancia (OC). Conforman dispositivos OTP (one-time programmable). Son rápidos y consumen menos. Se produce un enlace aplicando corrientes y voltajes altos. SRAM-based Utilizan una celda SRAM para determinar la programación de la lógica. Cada celda ocupa una porción considerable de silicio (varios transistores p/celda SRAM + el transistor de control). La programación se pierde al cortar el suministro eléctrico. El dispositivo debe reprogramarse en cada inicio. Este tipo de dispositivos se programan rápida y fácilmente (los más útiles para prototipado). La tecnología SRAM mejora continuamente, se logran altos niveles de integración ya que sigue procesos de construcción estándar. Prof: Sebastián Escarza 3

4 EPROM/EEPROM/Flash-based Utilizan celdas de memoria Flash para mantener la programación. Son no volátiles (al igual que los dispositivos antifuse), pero reprogramables (como los SRAM-based). Utilizan un proceso de fabricación estándar (como los SRAMbased) y consumen poco (como los antifuse). Son dispositivos relativamente rápidos. Resumiendo las tecnologías de hardware programable: Existen distintas categorías de hardware programable: Simple Programmable Logic Devices (SPLDs) Complex Programmable Logic Devices (CPLDs) Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) Existen distintas categorías de hardware programable: Simple Programmable Logic Devices (SPLDs) Complex Programmable Logic Devices (CPLDs) Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) Cierta funcionalidad d es posible implementarla l en más de una de estas categorías (solapamiento). Los PLD más complejos pueden implementar cualquier funcionalidad, pero no siempre resulta conveniente. Prof: Sebastián Escarza 4

5 Tecnologías y categorías de hardware programable: Escala de los SPLDs: Escala de los CPLDs: Escala de los FPGAs: Prof: Sebastián Escarza 5

6 - SPLDs Simple Programmable Logic Devices (SPLDs) En el extremo más bajo del espectro tenemos los Arreglos Lógicos Programables (PAL, PLA) o Arreglos Lógicos Genéricos (GAL). Estos dispositvos se denominan (Simple) Programmable Logic Devices (PLDs). Los SPLD constituyen el origen del hardware programable y surgieron para implementar la llamada glue logic. Ej: address decoding - SPLDs Cada SPLD define dos arreglos de compuertas: uno computa el AND y el otro el OR booleanos. Dichos arreglos conforman un conjunto de macroceldas. - SPLDs Arquitectura de un PLA: Cada macrocelda implementa lógica combinacional y opcionalmente flip flops, y puede almacenar una ecuación booleana simple que combina ciertas entradas con ciertas salidas (suma de productos). Prof: Sebastián Escarza 6

7 - SPLDs Arquitectura de un PLA: - SPLDs Las ecuaciones se programan con un lenguaje particular (ej: ABEL, PALASM). A partir de allí se construye la imagen que luego es programada en el dispositivo (Programador de PLA (E)PROM). Otra alternativa es transferir el diseño a partir de la captura de esquemáticos. - SPLDs Complex Programmable Logic Devices (CPLDs) Prof: Sebastián Escarza 7

8 - CPLDs El siguiente escalón en hardware programable está dado por los Complex Programmable Logic Devices (CPLDs). En su forma más simple se componen de múltiples bloques lógicos (SPLDs) interconectados. Permiten implementar diseños más complejos merced a una mayor cantidad de recursos. Programables por JTAG. - CPLDs Abarcan desde aplicaciones simples como decodificación de direcciones hasta implementaciones de lógicas de control de alta performance y máquinas de estados finitos. Los CPLD con mayor número de compuertas comparten parte del campo de aplicación con los FPGAs, aunque presentan retardos menores y más predecibles a raíz de su arquitectura interna menos Altera MAX 7000-series, flexible. (2500 compuertas) - CPLDs Ej: Arquitectura del CPLD Xilinx XC CPLDs Ej: Arquitectura del CPLD Xilinx XC9500 Prof: Sebastián Escarza 8

9 Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) El último escalón en hardware programable viene dado por los Field Programmable Gate Arrrays (FPGAs). Pueden utilizarse para implementar prácticamente cualquier diseño de hardware (prototipos para ASICs o diseños finales dependiendo de los costos de desarrollo y producción para un proyecto vs la necesidad de actualizar el HW una vez lanzado el producto). Principales fabricantes (son fabless): Los FPGAs difieren estructuralmente de los CPLD. bloques lógicos interconexiones (canales de ruteo) bloques o elementos de I/O red de propagación de la señal de clock pueden incluir multiplicadores pueden incluir elementos de memoria pueden incluir características avanzadas CPLD vs FPGA: Prof: Sebastián Escarza 9

10 CPLD vs FPGA: Los FPGAs siguen la idea de interconectar elementos básicos para lograr funcionalidades más avanzadas, pero son más adecuados para aplicaciones que hacen uso intensivo de los registros y del pipelining. Son muy utilizados como alternativa a soluciones de CPU + Software cuando el procesamiento de datos requiere tasas elevadas (aceleración por Hardware). En general son más densos que los CPLD lo que los convierte en la elección obligada ante niveles muy altos de integración. Numerosos MCUs y DSCs integran FPGAs en SoCs. Aplicaciones: ASICs/ASSPs: cada día es más común el uso de FPGAs para aplicaciones antes destinadas al uso de ASICs de manera dedicada (prototipado y desarrollo). DSP: los FPGAs que integran MACs, grandes cantidades de RAM, y proveen ruteo aritmético dedicado simplifican las implementaciones en procesamiento digital de señales. Si sumamos el alto nivel de paralelismo presente en los FPGAs, se obtienen implementaciones DSP de altísima performance. Microncontroladores embebidos: a medida que decrecen los costos de los FPGAs, es cada vez más común el uso de procesadores soft-core que integran funciones de E/S personalizadas en aplicaciones embebidas. Aplicaciones: Comunicaciones: históricamente se han utilizado para la interface (glue logic) entre la capa física y las capas de protocolos de red superiores. Actualmente los FPGAs de alta performance incorporan transceivers de alta velocidad, consolidando las comunicaciones y las funciones de red en un único dispositivo. Computación reconfigurable: se trata de explotar la naturaleza paralela y reconfigurable de los FPGAs para acelerar por hardware algoritmos de software. Prof: Sebastián Escarza 10

11 Los FPGAs difieren estructuralmente de los CPLD. Los bloques lógicos en un FPGA pueden ser tan simples como una macrocelda PLD, o mucho más complejos (pero nunca tan complejos como un PLD completo). Se diferencian de los CPLD fundamentalmente en que están basados en MUXes/Lookup Tables mientras que estos últimos están basados en suma de productos. Se diferencian de los CPLD fundamentalmente en que están basados en MUXes/Lookup Tables mientras que estos últimos están basados en suma de productos. La estructura de LUTs tiene ventajas: Permite encadenar las celdas SRAM (programación por JTAG) Permite implementarse como un bloque de RAM/shift register. Prof: Sebastián Escarza 11

12 Los bloques lógicos (celdas lógicas/elementos lógicos) se combinan para formar estructuras mayores. Los bloques lógicos (celdas lógicas/elementos lógicos) se combinan para formar estructuras mayores que se interconectan. Los FPGAs están más orientados a la interconexión que los CPLD: son más flexibles es más complejo diseñar sobre ellos (ruteo) Los FPGAs poseen elementos o bloques de E/S. Para interfacear elementos externos. Los bloques de E/S proveen registros, señales de control, multiplexores y señales de clock. Entradas directas. Salidas 3-state. Prof: Sebastián Escarza 12

13 Los FPGAs poseen elementos o bloques de E/S. Tener en cuenta ciertos aspectos al momento de asignar pines de E/S: Selección de salidas Pull-Up vs Pull Down Estado de los pines no usados (dejarlos flotantes consume energía) Modos de operación simple o diferencial. Estándares de E/S. Etc. Los FPGAs proveen recursos para gestionar la señal de clock. Dispersar la señal de clock de manera controlada (minimizar el clock skew). Clock globales y regionales (clocking diferencial). Ruteo de la señal de clock. Ajuste de fases y frecuencias entre las diferentes regiones del dispositivo. Los FPGAs proveen recursos para gestionar la señal de clock: Clock Trees. Los FPGAs proveen recursos para gestionar la señal de clock: Clock Managers. Derivar señales de clock Corregir jitter mediante PLL (phase locked loop) o DLL (delay locked loop). Prof: Sebastián Escarza 13

14 Los FPGAs proveen recursos para gestionar la señal de clock: Clock Managers. Derivar señales de clock Corregir jitter mediante PLL (phase locked loop) o DLL (delay locked loop). Los FPGAs pueden incluir grandes regiones de memoria y unidades multiplicadoras entre otras unidades dedicadas: útil para procesamiento DSP. ciertas funciones como sumadores, las unidades de multiplicación, o unidades MAC son lentas si se implementan interconectando elementos lógicos entonces se proveen bloques multiplicadores precableados. Los FPGAs pueden incluir grandes regiones de memoria y unidades multiplicadoras entre otras unidades dedicadas: Adicionalmente se cuenta con la posibilidad de: incluir Intellectual Properties (IPs), i.e. componentes de funcionalidad pre-implementada. contar con procesadores dedicados e interconectarlos a los demás elementos de procesamiento. descargar procesadores completos sobre la matriz de elementos lógicos del FPGA (soft-core CPUs). contar con bloques del FPGA optimizados para el procesamiento digital de señales. soporte para estándares de E/S (Ej. transceivers Ethernet Gigabit de alta velocidad). Prof: Sebastián Escarza 14

15 Ej: Arquitectura del FPGA Altera Cyclone II vs el FPGA Altera Stratix V. Ej: Arquitectura del FPGA Altera Cyclone II Logic Elem. Ej: Arquitectura del FPGA Altera Cyclone II Estructura y conexiones de los Logic Array Blocks. Ej: Arq. del FPGA Altera Cyclone II Conexiones (ruteo). Prof: Sebastián Escarza 15

16 Ej: Arq. del FPGA Altera Cyclone II. Ej: Arq. del FPGA Altera Cyclone II Bloques de control y redes de propagación p de la señal de clock. Ej: Arq. del FPGA Altera Cyclone II Bloques de E/S. Ej: Arq. del FPGA Altera Cyclone II Características avanzadas: Bloques de RAM Multiplicadores Prof: Sebastián Escarza 16

17 Todo diseño basado en FPGAs debe mapearse teniendo en cuenta los recursos disponibles (cantidad de bloques lógicos, número de interconexiones, etc). Esquema general de un proceso típico de desarrollo con FPGAs: La configuración del FPGA se realiza mediante lenguajes de descripción de hardware. La especificación se sintetiza y se descarga en el dispositivo programable. El diseño de hardware utiliza los mismos procesos y herramientas que el diseño de software. Abordaremos este proceso de desarrollo la próxima clase. Procesadores Soft Core Procesadores Soft Core Siguiendo la misma lógica utilizada para implementar circuitos combinacionales simples, circuitos secuenciales y elementos más complejos como sumadores, multiplicadores, unidades multiply and accumulate, etc., el hardware programable permite implementar procesadores completos. Cuando se necesita un dispositivo adicional con un elevado grado de diversidad funcional, lo usual es definir un instruction set e implementarlo como un procesador dentro del FPGA. Prof: Sebastián Escarza 17

18 Procesadores Soft Core Los proveedores de FPGAs proveen núcleos de procesadores listos para ser descargados en sus FPGAs. El usuario selecciona las prestaciones del microprocesador e instala dicho hardware en el FPGA. Ej: Microblaze core de Xilinx. NIOS core de Altera. La funcionalidad y las prestaciones de cada core se pueden seleccionar en función de los recursos de hardware disponibles y de los requerimientos de la aplicación. FPGAs y Procesadores Soft Core Resumiendo: Referencias Barr, M., Massa, A. Programming Embedded Systems: With C and GNU Development Tools, 2nd Edition. O Reilly Media ISBN: Capítulo 13. Cofer, R., Harding, B. Rapid System Prototyping with FPGAs: Accelerating the design process (Embedded Technology). Newnes ISBN: Capítulos 1 y 2. Maxfield, C. FPGAs: World Class Designs. Newnes ISBN: Capítulos 1, 2 y 3. Simon, D. An Embedded Software Primer. Addison-Wesley Professional ISBN: Capítulo 3. Prof: Sebastián Escarza 18

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