Porque estudiar diseño digital?

Transcripción

1 Porque estudiar diseño digital? Es la base para la implementación de todos los sistemas computacionales modernos Construcción de unidades más complejas de componentes primitivos. Conocer los principios para organizar los bloques constructivos básicos de la computadores. El paralelismo inherente en el hardware es nuestra primera introducción a la computación paralela. Proveer un modelo y un entendimiento de cómo funciona una computadora. 1: Intro 1

2 Diseño digital: nuestro PC 1: Intro 2

3 Objetivos El lenguaje de diseño y modelamiento digital Álgebra de Boole Funciones y representación de variables discretas Minimización lógica Conceptos de estados Análisis temporal Herramientas CAD Concepto de estados en sistemas digitales Análogo a variables y contadores en el software Como especificar, simular, compilar y analizar sistemas Lenguajes de descripción de HW Herramientas para simular la operación de nuestros diseños Compiladores lógicos para sintetizar los bloques de diseños Implementación en hardware programable Diferentes tecnologías de implementación de hardware Contrastar con diseño de SW Implementaciones de máquinas secuenciales y paralelas Especificar algoritmos, recursos de procesamiento y almacenamiento 1: Intro 3

4 Objetivos Visto por capas Arquitectura abstracta Síntesis y optimización Bloques básicos Compuertas y flip-flops 1: Intro 4

5 Objetivos Resumen: Se estudiaran... Los fundamentos matemáticos de las funciones de variables discretas boolenas, su estructura y diversos métodos de representación. Los principios y técnicas para modelar situaciones del mundo real, mediante funciones booleanas y registros. Se analizaran sistemas ya diseñados para posteriormente diseñar, implementar o sintetizar mediante diferentes tecnologías sistemas digitales combinacionales y secuenciales. 1: Intro 5

6 Un poco de historia 1850: George Boole inventa el álgebra de Boole convierte proposiciones lógicas a símbolos permite la manipulación de la lógica proposicional 1938: Claude Shannon aplica el álgebra de Boole al desarrollo de circuitos conmutados (switched circuits) su tesis de Magíster 1945: John von Neumann desarrolla el primer programa de computadora en la arquitectura de programa almacenado (stored-program computer) sus elementos de conmutación son tubos de vacío 1: Intro 6

7 Un poco de historia 1946: ENIAC... La primera computadora electrónica 18,000 tubos de vacío varios miles de multiplicaciones por minuto. 1947: Shockley, Brattain y Bardeen (Bell Labs) inventan el transistor Reemplazo tubos de vacío Permitió la mayor integración de múltiples dispositivos. Comienzo de la electrónica moderna. 1: Intro 7

8 Que es el diseño digital? Qué es el diseño? Dada la especificación de un problema, lograr determinar una manera de resolverla, seleccionando apropiadamente desde un grupo de componentes disponibles. Siempre considerando un conjunto de criterios (requerimientos) como tamaño, costo, poder, confiabilidad, elegancia, simplicidad etc. Qué es el diseño digital? Determinación de las componentes de hardware digitales que implementan las especificaciones de comunicación, control y procesamiento de los datos. Más específicamente, es descomponer la solución en redes combinacionales y/o secuenciales organizando jerárquicamente el diseño empleando herramientas computacionales modernas. Hay muchas diferentes tecnologías que se pueden usar para implementar un diseño (e.g., componentes, dispositivos programables, transistores en un chip, etc.) El diseño tiene que ser optimizado para los requerimientos previamente especificados. 1: Intro 8

9 Que es el diseño digital? Conceptos básicos en sistemas digitales. Sistema con una entrada E y una salida S Las variables E y S sólo pueden tomar los valores discretos: 0, 1, 2, 3. 1: Intro 9

10 Que es el diseño digital? Codificación. Se denomina codificación binaria al proceso de asignar un vector booleano a un símbolo o valor de la variable multivaluada. Sistema numérico binario. En el sistema numérico binario la base numérica es 2, y los dígitos sólo pueden ser 0 y 1. 1: Intro 10

11 Que es el diseño digital? Información. Bit, Byte. Se denomina bit, que es un acrónimo de Binary Digit, a la cantidad de información requerida para distinguir entre dos opciones igualmente probables. Tablas de verdad. 1: Intro 11

12 Que es el diseño digital? Compuertas básicas. Operadores booleanos. En el álgebra de Boole se definen los operadores and y or, mediante las tablas de verdad. Expresiones booleanas. 1: Intro 12

13 Que es el diseño digital? Esquemático. 1: Intro 13

14 Algunas aplicaciones del diseño digital Computadores CPUs, bus, equipos periféricos de I/O (discos, pendrives, teclados, impresoras, mouse, pantallas, etc) Redes y comunicaciones centrales, estaciones base, teléfonos, módems, routers, switches, hubs, gateways, gatekeepers (VoIP) Sistemas embebidos electrodomésticos aparatos portátiles: celulares, ipods, organizadores juguetes y juegos de video aparatos a control remoto controladores industriales, robots Equipos científicos equipos de prueba, sensores, aparatos médicos Muchos otros 1: Intro 14

15 Algunas tendencias actuales en el diseño digital Tendencias de la industria para diseño de hardware Escala Diseños mas grandes e integrados. Tiempo al mercado mas corto. Productos mas baratos. Uso común de herramientas computacionales sobre métodos manuales. Múltiples niveles de diseño y representación. Tiempo Costo Énfasis en representaciones abstractas de diseño. Uso de componentes programables (e.g. FPGA) sobre otros de función fija. Técnicas automáticas de síntesis del diseño lógico (e.g. Verilog). Importancia de buenas metodologías y procesos de diseño. Uso de simulación para depurar (debug). Simulación y verificación (testing) antes de construcción. 1: Intro 15

16 Diseño digital: computación abstracta versus implementación Computación abstracta es un ejercicio mental o de software (programas). Esta clase trata sobre como se puede implementar sistemas de computación en hardware que usan voltajes para representar valores lógicos binarios (1 y 0). Elementos básicos de la computación. Representación binaria: 0, 1 Asignación: x = y Operaciones sobre datos: x + y 5 Control: expresiones secuénciales 1; 2; 3;... expresiones condicionales: if x == 1 then y ciclos (loops): for (i = 1; i == 5; i++) x = x + A[i]; procedimientos (funciones) Uso común de lenguajes y herramientas computacionales (e.g. HDL, Verilog, Xylinx) sobre métodos manuales. Múltiples niveles de diseño y representación. 1: Intro 16

17 Abstracción digital Abstracción digital binaria Consiste en representar las señales análogas reales de entrada y salida usando valores discretos lógicos 0 y 1 Volts 4 V oh 3 lógica 1 Margen de ruido zona de transición entre lógica 0 y 1 lógica 0 V ih V il V ol Margen de ruido 1: Intro 17

18 Abstracción digital Porque es útil la digitalización? Permite el desarrollo modular de sistemas Ayuda a prevenir que un 0 sea confundido con un 1 y viceversa, valores específicos dependen de la tecnología usada (e.g. TTL) e.g. V IL debe ser un poco mayor que V OL Volts V ol V il V il V ol tiempo 1: Intro 18

19 Abstracción digital Bit (Binary digit): unidad de información Si se tienen 2 eventos igualmente probables y se desea conocer cuál se produce, debe aportarse 1 bit de información Interruptor abierto es 1 Interruptor cerrado es 0 Se puede codificar en un bit, el estado del interruptor Si hay 8 eventos posibles, para conocer la ocurrencia de uno de ellos deben tenerse cuantos bits de información? 1: Intro 19

20 Abstracción digital La información puede definirse como: conocimiento comunicado o recibido concerniente a un hecho particular, el cual reduce la incertidumbre del receptor Si tenemos un espacio de muestreo dividido en 2N casos que son igualmente probables E k (k = 1, 2,..., 2 N ) entonces la información (en bits) proveída por el hecho E k es N bits 1: Intro 20

21 Abstracción digital Evento Se denomina evento al cambio de valor de una señal en un instante de tiempo. Que es un canto de bajada/subida? Pasar de nivel lógico 1 a 0 se denomina canto de bajada. Un canto de subida se produce cuando la señal pasa de nivel lógico 0 a : Intro 21

22 Qué es el hardware digital? Máquina abstracta: Una máquina abstracta es un modelo de computación que establece cómo se generan las acciones, o eventos de salida, a partir de los mensajes o eventos de entrada. inputs sistema outputs El modelo del sistema digital tiene inputs y outputs Sistemas combinacionales (sin memoria) sus outputs solo dependen de sus inputs Sistemas secuenciales (con memoria) sus outputs dependen no solo de sus inputs actuales sino que también de inputs previos (tienen memoria) 1: Intro 22

23 Que es el hardware digital? Colección de dispositivos que miden y controlan señales que usan voltajes digitales (e.g. una cantidad física que se interpreta como un 0 o un 1 ) e.g.: lógica digital binaria 0 cuando el voltaje en una señal es < 0.8 V 1 cuando el voltaje es > 2.0 V El tener Voh > Vih y Vol < Vil causa que la señales lógicas 1 y 0 se vayan regenerando 1: Intro 23

24 Que es el hardware digital? Interruptor (switch): elemento básico del hardware Implementar un circuito simple (flecha muestra si un cable cambia a 1 ) A Z cerrar switch (si A es 1 ) y prender la bombilla (Z) A Z abrir switch (si A es 0 ) y apagar la bombilla (Z) Z A 1: Intro 24

25 Que es el hardware digital? La composición de interruptores (e.g. transistores) en elementos mas complejos implementa las funciones de lógica Booleana. Como hago un AND y un OR de dos interruptores? AND A B Z A and B A OR Z A or B B 1: Intro 25

26 Que es el hardware digital? Los valores de los interruptores (switches) determinan si hay o no hay una ruta para encender la luz Para construir cómputos mas complejos usar la luz (output de un circuito) para activar otros circuitos interconectar redes de circuitos (e.g. ICs o circuitos integrados en wafers) típicamente se diseñan y modelan estos circuitos usando aplicaciones de software (e.g. MAGIC para VLSI) 1: Intro 26

27 Hardware digital vs análogo Es conveniente pensar en los sistemas digitales como teniendo solo valores discretos. En realidad los componentes electrónicos tienen un comportamiento continuo, análogo. Porque se hace la abstracción digital? Interruptores operan de esta manera, es fácil modularizar diseños basado en compuertas digitales Es mas fácil pensar en valores discretos Los voltajes se pueden ir renovando entre los componentes manteniendo su valor lógico Porque funciona? Los errores en voltajes no se propagan Siempre se cambian a 0 o 1 1: Intro 27

28 Sistemas Combinacionales Se denominan máquinas o sistemas combinacionales a aquellos cuyas salidas, en un instante de tiempo, dependen solamente de los valores que toman las entradas en ese instante de tiempo (no tienen memoria) Lo cual puede describirse por una función o tabla (truth table) que especifique los valores de las salidas para cada una de las combinaciones posibles de las entradas En estos sistemas las componentes no cambian sus propiedades a medida que transcurre el tiempo 1: Intro 28

29 Símbolos Lógicos Sistemas lógicos combinacionales usan compuertas estándar que se denominan compuertas lógicas Buffer, NOT A Z AND, NAND A B OR, NOR Z fácil de implementar con transistores CMOS (los interruptores mas disponibles) A B Z 1: Intro 29

30 Sistemas Combinacionales: ejemplo Subsistema de calendario: numero de días en un mes Usado para controlar un reloj de tipo LCD Input: mes, indicador de año bisiesto (leap year) Output: numero de días (28, 29, 30 o 31) en ese mes 1: Intro 30

31 Sistemas Combinacionales: ejemplo Implementación en software integer number_of_days ( month, leap_year_flag) { } } switch (month) { case 1: return (31); case 2: if (leap_year_flag == 1) then return (29) else return (28); case 3: return (31);... case 12: return (31); default: return (0); 1: Intro 31

32 Sistemas Combinacionales: ejemplo Implementación digital Codificación: Cuántos bits para cada input/output? Número binario para el mes Cuatro alambres para Comportamiento: combinacional especificado en la tabla month leap d28d29d30d31 month leap d28 d29 d30 d : Intro 32

33 Sistemas Combinacionales: ejemplo Análisis d28 = 1 cuando month=0010 y leap=0 d28 = m8' m4' m2 m1' leap d31 = 1 cuando month=0001 o month=0011 o... month=1100 d31 = (m8' m4' m2' m1) + (m8' m4' m2 m1) +... (m8 m4 m2' m1') símbolo de and símbolo de or d31 = podemos simplificarlo mas? month leap d28 d29 d30 d : Intro 33

34 Sistemas Combinacionales: ejemplo d28 = m8' m4' m2 m1' leap d29 = m8' m4' m2 m1' leap d30 = (m8' m4 m2' m1') + (m8' m4 m2 m1') + (m8 m4' m2' m1) + (m8 m4' m2 m1) = (m8' m4 m1') + (m8 m4' m1) d31 = (m8' m4' m2' m1) + (m8' m4' m2 m1) + (m8' m4 m2' m1) + (m8' m4 m2 m1) + (m8 m4' m2' m1') + (m8 m4' m2 m1') + (m8 m4 m2' m1') 1: Intro 34

35 Máquinas de Estados o Secuenciales Se denominan máquinas de estados o secuenciales a aquellas cuyas salidas, en un instante de tiempo, dependen de los valores que toman las entradas y de su estado en ese instante de tiempo. Se comienza con un estado inicial. Se usa una función de transición que especifique los valores de las salidas y del próximo estado para cada una de las combinaciones posibles de las entradas y del estado presente. También se puede usar un diagrama de estados. Una matriz puede servir para indicar los diferentes valores de esta función. Las entradas se deben usar una vez que la máquina haya procesado las entradas previas y este estable. 1: Intro 35

36 Máquinas de Estados: ejemplo Candado de combinación: Seleccionar 3 valores en secuencia y se abre el candado. Si hay un error se debe recomenzar la secuencia (reset). Input: secuencia de valores, reset. Outputs: candado abierto/cerrado. Memoria: debe recordar combinación. 1: Intro 36

37 Máquinas de Estados: ejemplo Implementación en software integer combination_lock ( ) { integer v1, v2, v3; integer error = 0; static integer c[3] = 3, 4, 2; // clave while (!new_value( )); v1 = read_value( ); if (v1!= c[1]) then error = 1; while (!new_value( )); v2 = read_value( ); if (v2!= c[2]) then error = 1; while (!new_value( )); v3 = read_value( ); if (v2!= c[3]) then error = 1; } if (error == 1) then return(0); else return (1); 1: Intro 37

38 Máquinas de Estados: ejemplo Codificación: Cuántos bits por valor de input? Cuántos valores en la secuencia? Cómo sabemos que hay un valor nuevo de input? cómo representar los estados? Comportamiento: Línea clock indica cuando. mirar los inputs (sistema tiene que estar estable después de un cambio). Secuencial: secuencias de valores deben ser introducidos. Secuencial: recordar si ocurre un error Especificar los estados finitos. clock new value state open/closed 1: Intro 38 reset

39 Máquinas de Estados: ejemplo Diagrama de estados: 5 estados Representan situaciones en la ejecución de la máquina Cada estado tiene outputs 6 transiciones entre estados, 5 auto transiciones, 1 global Cambios en estados ocurren cuando reloj indica que se puede Inputs: reset, new, resultado de comparaciones Output: open /closed (abierto /cerrado) ERR closed reset closed S1 C1=value & new C1!=value & new closed S2 C2=value & new C2!=value & new S3 closed C3!=value & new C3=value & new open OPEN not new not new not new 1: Intro 39

40 Máquinas de Estados: ejemplo Ruta de datos versus control? ruta de datos Almacenamiento para combinación Comparador control Controlador de estados finitos Control para ruta de datos Cambios en estados controlados por reloj (clock) new equal reset value C1 C2 C3 multiplexer comparator mux control controller clock equal open/closed 1: Intro 40

41 Máquinas de Estados: ejemplo Refinar máquina de estados finitos Incluir datos internos de la estructura del HW ERR closed reset closed mux=c1 equal & new not equal & new not equal & new not equal & new S1 S2 S3 OPEN closed mux=c2 equal & new closed mux=c3 equal & new open not new not new not new 1: Intro 41

42 Máquinas de Estados: ejemplo Máquina de estados finitos actualizada? Generar tabla estados o transiciones closed ERR not equal & new not equal & new not equal & new S1 S2 S3 OPEN reset closed mux=c1 equal & new closed mux=c2 equal & new closed mux=c3 equal & new open not new next reset new equal state state mux open/closed 1 S1 C1 closed 0 0 S1 S1 C1 closed S1 ERR closed S1 S2 C2 closed 0 0 S2 S2 C2 closed S2 ERR closed S2 S3 C3 closed 0 0 S3 S3 C3 closed S3 ERR closed S3 OPEN open 0 OPEN OPEN open 0 ERR ERR closed not new not new 1: Intro 42

43 Máquinas de Estados: ejemplo Codificar tabla de estados estado puede ser: S1, S2, S3, OPEN o ERR 3 bits mínimo para codificar output mux puede ser: C1, C2, o C3 2 bits mínimo para codificar output open /closed puede ser: open o closed mínimo 1 bit para codificar Trabajo en grupo: elegir codificación de bits para los estados, generar tabla de estados (hay muchas opciones!) 1: Intro 43

44 Máquinas de Estados: ejemplo Codificar tabla de estados estado puede ser: S1, S2, S3, OPEN o ERR usar 4 bits output mux puede ser: C1, C2, o C3 usar 3 bits output open /closed puede ser: open o closed usar 1 bit para codificar next reset new equal state state mux open/closed buena elección! mux es idéntico a los últimos 3 bits del estado open / closed es idéntico al primer bit del estado 1: Intro 44

45 Jerarquía de diseño sistema digital ruta de datos ruta de control memorias / registros multiplexer comparator / ALU registros de estado red combinacional (lógica) registros lógica / compuertas redes de compuertas (transistores) 1: Intro 45

46 Resumen De que se trata este curso? Desarrollar soluciones a problemas usando circuitos combinacionales y secuenciales efectivamente organizando el diseño jerárquicamente. Utilizar técnicas y herramientas modernas. Tomar ventaja de oportunidades de optimización. 1: Intro 46