Transcript www.yarbis1.yildiz.edu.tr

Elektronik Devre Yapıları
Modelleme ve
Optimizasyonda Elektronik
Devre Tasarım Araçları
Revna ACAR VURAL
28/12/2010
Devre Elemanları
• Vakumlu Tüpler: Elektriksel
işaretleri kuvvetlendiren ve kontrol
eden ilk elektronik eleman.
• Transistörler:
– Bell Laboratuarlarından 3 bilimadamı,
John Bardeen, William Shockley ve
Walter Brattain, tarafından 1947’de icat
edildi.
• 1960’da Jack Kilby and Robert Noyce
ilk entegre devreyi (IC) tasarladılar.
• Fairchild şirketi lojik kapıları üretti.
Entegre Devreler-IC
• Üretimdeki gelişmeler sayesinde
tek bir çip içine daha fazla sayıda
transistör sığdırılıyor.
• Transistörler ve Entegre Devreler
SSI (Small-Scale Integration) ile
ULSI arasında ölçeklendirilirler.
• Mikroişlemci yapıları bu
gelişmelerden sonra ortaya
çıkmıştır.
Tipik VLSI Sistemler
Cep Telefonları
Fotoğraf Makineleri
İşitme Cihazları
Otomobiller
Biyomedikal Görüntüleme
Bilgisayarlar
Mikroişlemciler
• Robert Noyce ve Gordon Moore
Intel’i kurdular.
• Intel ilk programlanabilir hesap
makinesini üretti.
• Intel ilk mikroişlemciyi 1971’de
tasarladı.
– Model 4004
– 4-bit; 2300 transistor, 640 byte
hafıza, 108 KHz saat frekansı
Mikroişlemciler-II
• Transistörlerden oluşan tek bir çip yapısıdır.
• Kaydedilen komutlar kümesini işlemek üzere
çalışır.
• Harici hafıza, harici I/O ve diğer çevresel
birimlerle etkileşim halindedir.
• Sık olarak kontrol sistemlerinde kullanılır.
Mikrodenetleyiciler
• Bir mikroişlemcinin, hafıza ve giriş - çıkışlar, kristal osilatör,
zamanlayıcılar (timers), seri ve analog giriş çıkışlar,
programlanabilir hafıza (Flash, ROM) gibi bileşenlerle tek bir
tümleşik devre üzerinde üretilmiş halidir.
Mikroişlemcilere göre
• oldukça küçük boyutludurlar,
• çok düşük güç tüketimine
sahiptirler,
• düşük maliyetlidirler,
• yüksek performansa sahiptirler.
Mikrodenetleyici Blok Diyagramı
Sayısal İşaret İşlemcisi
(Digital Signal Processor-DSP)
• Sayısal işaret işleme konusunda yüksek hızda yüksek doğruluk gerektiren
uygulamalar için optimize edilmiş mimariye sahip özel bir mikroişlemcidir.
• DSP algoritmaları tipik olarak bir veri kümesi üzerinde çok sayıda
matematiksel işlemi çok hızlı ve sürekli olarak yapmalıdır. Ses veya
görüntü sensörlerinden elde edilen işaretler analogdan sayısala çevrilerek,
sayısal olarak işlenir ve daha sonra elde edilen sayısal veri, tekrardan
analog işaret haline getirilir.DSP uygulaması belirli bir süre içinde
tamamlanmalıdır, ertelenmiş (batch)işlem yapmak mümkün değildir.
• Genel amaçlı mikroişlemcilerin çoğu DSP algoritmalarını çalıştırabilir
ancak cep telefonu ve PDA gibi taşınabilir cihazlarda güç tüketimi ve alan
kısıtlamalarına bağlı olarak kullanışlı olmaz. Özel olarak tasarlanmış DSP
işlemciler büyük batarya veya özel bir soğutma sistemi gerektirmeksizin
daha yüksek performanslı, düşük gecikmeli ve düşük maliyetli çözüm
sağlarlar.
SPLD ve CPLD
• İlk programlanabilir tümdevreler (ICs) PLD
(Programmable Logic Device)
CPLD (Complex Programmable Logic Device)
• Artan kapasite ihtiyacı Altera’nın EPROM ve CMOS teknolojisine dayanan
CPLD’leri geliştirmesini sağladı.
ASIC (Aplication Specific Integrated Circuits)
• Uygulamaya Özgü Tümdevreler kendi içinde 4 ana grupta incelenir.
•Yüksek yapılandırma
•Hızlı tasarım
•Değişiklik imkanı
•Geniş ve karmaşık tasarımları
desteklemez
•Çok geniş ve karmaşık
işlevleri destekler
•Oldukça pahalı
•Uzun süreç
•Tasarımın geri dönüşü yok
Alanda Programlanabilir Kapı Dizileri
(Field Programmable Gate Array-FPGA)
• Bu aralığı doldurmak amacıyla Xilinx firması FPGA adını verdiği yeni bir IC sınıfı
geliştirdi ve 1984 yılında pazara sunulacak hale getirdi.
• Programlanabilir mantık blokları ve bu bloklar arasındaki ara bağlantılardan oluşan
ve geniş uygulama alanlarına sahip olan sayısal tümleşik devrelerdir
• Alanda programlanabilir ismi verilmesinin nedeni, mantık bloklarının ve ara
bağlantıların imalat sürecinden sonra programlanabilmesidir.
FPGA Mimarisi
• Programlanabilir mantık blokları, ara bağlantılar içerisine gömülü şekilde
bulunur. Programlanabilir mantık bloklarının yapılandırılması ve bu
bloklar arasındaki iletişim ara bağlantılar sayesinde gerçekleşir. Giriş çıkış
blokları, ara bağlantılar ile bütünleşmiş devrenin paket bacakları
arasındaki ilişkiyi sağlar
FPGA Mantık Bloğunun Yapısı
• Tipik FPGA mantık bloğu, 4 girişli başvuru
çizelgesi (Look up table-LUT) yapısı ve flip-flop
gibi diğer mantık elemanlarından oluşur.
• 4 girişli LUT yapısı, değişik mantıksal işlemleri
yürütür. Çıkış verileri isteğe bağlı olarak
yazmaçta saklanır
FPGA Nasıl Programlanır
• VHDL (Very High –Speed Integrated Circuit
Hardware Description Language) en çok
kullanılan HDL (Hardware Description
Language) dillerinden biridir.
• FPGA programlama ve FPGA’e yüklenen
kodun test işleminde VHDL kullanılır.
• VHDL, bir sayısal tasarım mekanizması ve
tekrar kullanılabilir tasarım
dokümantasyonu sunar.
• Bu programlama dili 1980’lerden beri
kullanılmakta olup sürekli geliştirilmiş ve
IEEE tarafından da standart olarak kabul
edilmiştir.
• VHDL'de tasarım akışı üç kısımdan oluşur:
Kodlama
Simülasyon
Sentezleme
Gömülü Sistemler
• Gömülü sistem, bilgisayarın kendisini kontrol eden cihaz
tarafından içerildiği özel amaçlı bir sistemdir.
• Genel maksatlı, örneğin kişisel bilgisayar gibi, bir
bilgisayardan farklı olarak, gömülü bir sistem kendisi için
önceden özel olarak tanımlanmış görevleri yerine getirir.
• Sistem belirli bir amaca yönelik olduğu için ürünün boyutunu
ve maliyetini azaltarak sistemi optimize edebilirler.
• Gömülü bir sistemin çekirdeğini, belirli bir sayıda görevi
yerine getirmek için programlanan mikroişlemciler ya da
mikrodenetleyiciler oluşturur.
• Kullanıcıların üzerinde istediği yazılımları çalıştırabildiği
genel maksatlı bilgisayarlardan farklı olarak, gömülü
sistemlerdeki yazılımlar yarı kalıcıdırlar ve firmware ismiyle
anılırlar
Netgear DG632 ADSL Modem/Yöneltici
(4) Mikroişlemci
(6) RAM
(7) Flash Bellek
(8) Regülatör
(12) Kristal osilatör
(13) Eternet girişi
(15)Eternet PHY
alıcı-verici
(16) USB
Mikroelektronik Devre Tasarım ve
Optimizasyonu
Modelleme
– Elimizde uygulamada kullanılan bir
El feneri (elektriksel sistem) olsun,
– Bu el fenerinin analiz ve sentezini
nasıl yapabiliriz?
– El fenerinin eşdeğeri bir
matematiksel model olsa!!
Modelleme Süreci
• Kara kutu modeli:
Sistemin giriş çıkış bilgilerinin belirlenmesi
• Mimari Model:
Fonksiyonel birimlerin ve birimler arası
iletişimin sağlanması
• Lojik Model:
Fonksiyonel birimlerin lojik kapılar cinsinden
tasarımı, giriş sinyallerinin evirtilmesi,
birleştirilmesi veya ayrıştırılması…
• Serim:
Uygun yarıiletken teknolojisi kullanılarak
çipin üretilmesi
Elektronik Devrelerde Analiz ve Sentez
Kavramları
• Sentez:
Tanımlanmış
bir
transfer
fonksiyonunu gerçekleyen devreyi bulma
işlemidir. Sentez sonucunda devre biçimi
ve devre elemanlarının değerleri elde
edilir.
• Analiz : Devre elemanları ve devre biçimi
verildiğinde elemanlara ait gerilim ve
akım değerlerini bulma işidir.
Devre Analizi için Gerekenler
• Devreye ilişkin akım denklemleri
– (Kirchhoff’un akımlar aksiyomu)
• Devreye ilişkin gerilim denklemleri
– (Kirchhoff’un gerilimler aksiyomu)
• Eleman tanım bağıntıları
• Şimdiye kadar bilinen elemanlardan
oluşan devrelerde(bağımsız, bağımlı
kaynak ve direnç), lineer cebirsel
denklemlerin çözümü
Örnek Devre
Referanslandırılmış Devre
1
2
3
+
İ2,v2
ibgk
+
ib
=vb
=vbgk
İ6,v6
TOPRAK
10 bilinmeyen:
vb, vbgk, v2, v3, v6
ib, ibgk, i2, i3, i6
10 denklem:
3 düğüm akım denklemi
2 çevre gerilim denklemi
5 tanım denklemi
+
İi23,v3
Devre Optimizasyonu
 Daha küçük toplam alan: Transistör boyutlarının azaltılması ve serimin
daha az alan kaplaması
 Daha düşük güç tüketimi: Daha uzun pil ömrü ve daha az ısınma
problemi
 Daha yüksek performans: Kazancın, band genişliğinin, giriş ve çıkış
aralığının arttırılma, gürültü ve besleme gerilimi etkilerine daha az
duyarlı olması.
 Daha yüksek güvenilirlik: Dış koşullardaki (sıcaklık, nem, vs) ani ve/veya
şiddetli değişime rağmen devrenin yüksek doğrulukla çalışabilmesi.
 Daha düşük maliyet: Devrenin tasarım aşamasından üretimine kadar
olan süreçteki hem maliyet hem zaman gibi giderlerin düşürülmesi
ELEKTRONİK DEVRE TASARIM PROBLEMİ
• Elektronik devre tasarımı maddi yükümlülüğü yüksek bir bilimsel
çalışma sonucu ortaya çıkabilmektedir.
• Devre tasarımının en büyük ikinci zorluğu ise tasarım için ayrılması
gereken zamandır. Yüksek sayıda eleman içeren bir sistemin
tasarlanması yıllar alabilmektedir.
• Lineer olmayan sistemleri tanımlamak üzere kullanılan devre
takımları da lineer olmayacağından, ağır hesap yükü
gerektirmektedir.
• Her tasarımcı tasarlayacağı devrenin hangi koşullarda çalışacağına
dair bir takım kriterler belirler. Devre bu “spec” değerlerini
minimum hata ile sağlamalı ve minimum alan kullanarak devre
tasarlanmalıdır.
Elektronik Devre Tasarım Araçları
• Devre Analizi :SPICE®, Electronic Workbench®,
Multisim ®
• Sistem Modelleme : MATLAB Simulink®,
• Sistem Optimizasyonu: PSPICE Optimizer ®,
Neocircuit ®
• FPGA Sentezleyici: Xilinx ISE ®, Altera Quartus®
• Gömülü Kod üretimi: Matlab Simulink ®, C/C++
• Serim Editörleri: Synopsys®, Magic®,
Cadence® PSPICE - Analiz
MATLAB-SIMULINK®-Modelleme
Virtuoso®NeoCircuit-Optimizasyon
XILINX-ISE
Synopsys® Cadabra Layout Editor-Serim
• IC’yi oluştuan MOS
transistörlerin, metal,
yarıiletken ve oksit malzemelere
karşı gelen çeşitli geometrik
şekillerle oluşturlması ve
düzenlenmesidir.
• Serim sonrası simülasyonlarda
devrenin parazitik kapasiteleri
elde edilmektedir.
• IC üretime gönderilmeden önce
post-layout simülasyonları
yapılarak devrenin “gerçekten”
nasıl çalıştığı ve istenen
koşullara uyup uymadığı
belirlenebilir.