Transcript Introduction à la logique programmable et ses outils de

ELE3311– Systèmes logiques programmables
Chapitre 4: Introduction à la logique
programmable et ses outils de
développement





Introduction
Évolution de la technologique
Introduction des circuits programmables
Évolution des circuits programmables
Évolution des outils de développement
Philippe Levesque, Ph.D.
ELE3311– Systèmes logiques programmables
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P. Levesque
Introduction
 L'origine des différentes sortes de PLD est liée aux
résultats de recherche menés dans le milieu des
années 1960.
 Au rythme d'un nouveau produit par mois, les progrès
dans ce domaine constituent une partie importante du
rayonnement du parc technologique Silicon Valley de
la Californie.
 ASIC « Application Specific Integrated Circuits »
 PLD « Programmable Logic Device » et outils.
 Technologies de programmation
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P. Levesque
Évolution de la technologie
 Depuis l’invention du transistor en 1947 par Bell Labs et des
premiers circuits intégrés en 1958, l’évolution de la
technologie n’a pas cessé d’évoluer et continue de suivre la loi
de Moore.
 À la fin des années 70,
 les circuits SSI, MSI et LSI offrent plusieurs centaines de fonctions
générales qui peuvent être utilisées pour créer toutes sortes
d’applications en logique câblée
 les microprocesseurs sont couramment utilisés ; ce qui a un impact sur
l’accélération du développement de la technologie des mémoires.
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Évolution de la technologie
Note 1 : Sans co-processeur mathémathique
Item
1
Année
Nom du CPU
1968
Intel 4004
Fréquence de
Nombre de
Technologie de
l’horloge (max)
transistors
lithographie
740 kHz
2300
10 µm
8 bits1
2 MHz
4500
6 µm
16 bits1
10 MHz
29 000
3 µm
32 bits1
12 MHz
134 000
1,5 µm
32 bits1
16 MHz
275 000
1 µm
32 bits
50 MHz
1,2 million
0,8 µm
32 bits
100 MHz
1,6 million
0,6 µm
Type de CPU
4
bits1
Intel 8080
2
(1975 : Microsoft
1974
MITS Altair 8800 – PC)
Intel 8086 (10 x 8080)
3
(1976 : Apple,
1976
1979 : Motorola 16 bits)
(1981 : IBM PC, Intel iAPX432)
4
1982
5
1985
Intel 80286 (16-data, 24-add)
Intel 80386
(1988-1989 : Cyrix
Coprocesseurs)
6
1989
Intel 80486
(1990 : spécificités)
(1992 : 80486DX2)
7
1994
Intel 80486DX4
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Évolution de la technologie
Fréquence de
Item Année
Nom du CPU
Type de CPU
l’horloge
Nombre de
transistors
(max)
Technologie
de
lithographie
(1993-1996)
Intel Pentium (80586)
8
(1995 : Cycix, P166+)
1996
FSB max = 66 MHz
32 bits
200 MHz
3,3 million
0,35 µm
32 bits
300 MHz
4,5 million
0,35 µm
32 bits
450 MHz
4,5 million
0,25 µm
32 bits
1 GHz
28,1 million
0,18 µm
(1995 : Intel Pentium Pro
(L2))
Intel Pentium MMX
FSB > 66 MHz
9
1997
Pentium II (Pentium Pro +
MMX)
10
1998
11
1999
Pentium II
AMD Athlon / Intel Pentium
III
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Évolution de la technologie
Fréquence de
Item Année
Nom du CPU
Type de CPU
l’horloge
Nombre de
transistors
(max)
Technologie
de
lithographie
12
2002
32 bits
2.2 GHz
42 million
0,13 µm
13
2004
64 bits
3,8 GHz
125 million
90 nm
14
2005
~3 GHz
230 million
90 nm
~3 GHz
291 million
65 nm
~3 GHz
820 million
45 nm
~3 GHz
2,6 milliard
32 nm
Intel Dual Core
15
2006
16
2008
17
2012
Multi-cœurs 64
bits
Intel Dual Core 2
Multi-cœurs 64
Intel i3, i5 et i7
Multi-cœurs 64
Intel Xeon E5-4650 + hyper
Multi-cœurs 64
threading (2x8 cœurs)
bits
bits
bits
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ASIC
 ASIC : circuits intégrés destinés à des applications spécifiques
 Sont conçu pour réaliser une applications spécifiques
 Contrairement aux application générique qui permettant de tout faire
Ex: CPU
 Aujourd’hui, il n’est pas rare qu’un ASIC intègre
 un CPU,
 de la mémoire et
 d’autres modules spécialisés.
 Ce type de circuits est par ailleurs souvent nommé :
 SoP (System on Chip) ou
 MPSoP (MultiProcessor System on Chip)
•
dans le cas ou plusieurs processeurs sont intégrés dans le design.
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ASIC
 Les ASIC offrent une alternation intéressante
 Lorsque la complexité de la logique câblé devient trop significative,
 Que les performances des CPU ne sont pas adéquates,
 Que le volume de production est important
 La technologie des circuits ASIC a été introduite afin de
remplacer les composants discrets par un nombre minimum de
circuits intégrés.

Cette technologie contribue également à augmenter
l'intégration et à protéger le design.
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ASIC
 Toutefois, le coût associé à l’utilisation de cette technologie
pour le développement d’un nouveau produit est considérable
et il doit être amortie sur une grande quantité d’unités produites
afin d’obtenir un prix unitaire acceptable.
 Le choix de l’une ou l’autre des techniques de réalisation des
ASIC dépend à la fois :
 du temps de développement et
 de la complexité du circuit à concevoir
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ASIC
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ASIC
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Évolution des PLDs
Item Année
Compagnie
Produits
Matrice de diode
1
~1965
Radiation Inc. (Harris)
2
1969
IBM
ROAM
3
1970
Texas Instrument
PLA à masque
4
1970
Harris
PROM
5
1971
Intel
EPROM
6
1971
GE
PLD, UV
7
1972
Data I/O
Programmeurs
8
1974
9
1974
10
1975
(fusible)
Intersil, Signetics
PLA
Monolithic Memories
PALA /
Inc.
plateforme dev
Intersil et Signetics
FPLA
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Évolution des PLDs
Item
Année
Compagnie
11
1978
MMI
Produits
PAL ***
logiciel PALASM
12
1980
John Birkner
13
1980
IEEE
Standard JEDEC
14
1983
Data I/O
Compilateur ABEL
15
1983
Lattice Semiconducteur
(HDL) ***
GAL
EPROM PLD,
16
1984
Altera
A+Plus
International CMOS
17
1985
Technology (ICT)
PEEL
18
1985
Lattice Semiconducteur
EEPAL = GAL
19
1985,…
Plusieurs Compagnies
FPGA et FPIC
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Évolution des outils de développement
 PALASM (PAL assembler):
 En 1980, John Birkner
 Ce langage est considéré comme un langage de description matérielle
(HDL - Hardware Description Language) rudimentaire et comme une
application logicielle.
 Il s’agit de la première génération de ces logiciels.
 Initialement, il ne supportait que les produits MMI des PAL et
nécessitait beaucoup de conversions de données afin d'obtenir le bon
format de programmation.
 Son développement s’est effectué en même temps que la JEDEC
proposait un standard pour les fichiers (format texte) de
programmation des PLD.
 Le PALASM n’effectue pas d’optimisation et ne supporte que les
équations booléennes sous forme de sommes de produits.
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Évolution des outils de développement
 ABEL (Advanced Boolean Expression Language):
 Introduit en 1983 par Data I/O,
 il est le premier outil universel pour les PLD.
 C’est un compilateur, programmé en Fortran, qui convertit un code
source (fichier) HDL en un patron de fusibles « Fusemap ».
 Contrairement au PALASM, ABEL optimise la logique et permet de
réaliser des MSA.
 PLDesigner :
 Outil permettant de simuler et de vérifier la fonctionnalité totale avant
l'implantation
 Introduit par Minc avant d'être acheté par Mentor Graphics.
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Évolution des outils de développement
 CUPL (Common Universal tools for Programmable Logic) :
 Introduit en 1981 par Assisted Technology,
 langage similaire à ABEL ; il optimise la logique et permet de
concevoir des MSA.
 AMAZE (Automated Map & Zap of Equations) :
 Introduit par Signetics, AMAZE
 constitué d’une suite d’outils logiciels.
 AMAZE a grandement contribué à faire évoluer le HDL à un plus
haut niveau.
 C’est en quelque sorte l’ancètre du Verilog et du VHDL
 PLAN (Programmable Logic ANalysis) :
 Introduit par National Semiconductor.
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Évolution des outils de développement
 APEEL (Assembler PEEL (Programmable Electrically
Errasable Logic)) :
 Introduit par ICT.
 VHDL (VHSIC (Very High-Speed Integrated Circuits)
Hardware Description Language) :
 Introduit en 1987 par le département de la Défense américaine en
collaboration avec l’IEEE.
 Initialement développé comme outil de modélisation et de simulation,
 A évolué en un outil de synthèse.
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Évolution des outils de développement
 Verilog :





Introduit en 1984
Similaire au VHDL
Utilisé pour modéliser les systèmes électroniques ;
Utilisé en tant qu’outil de design pour les systèmes numériques
Outil de vérification pour les systèmes analogiques, numériques et
mixtes.
 Autres outils de développement :
 Tango-PLD (Accel Technologies),
 Log/iC (ISDATA) Schema-PLD (Omation) OrCAD/PLD (OrCAD
Systems),
 SP11 (Pistohl Electronic Tool),
 Synopsys, Texas Instruments,
 etc
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Ressources matériels des PLD
 Fonction combinatoire ou séquentielle :
 La reconfiguration de cette fonction peut être basée sur :
•
•
•
•
•
une table de vérité (LUT),
un jeu de multiplexeurs,
un plan ET-OU,
différentes portes logiques, ou
un ensemble de transistors.
 Bloc d’entrée/sortie :
 Ce type de fonctions réalise un circuit logique d’entrée/sortie
bidirectionnel.
 Il est basé sur des bascules, des bistables,
 Contrôle du « slew-rate », « pullup » et « pulldown ».
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Ressources matériels des PLD
 Interconnexions :
 Circuiterie servant à accommoder les deux types d’interconnexions:
•
•
locale et
globale.
 L’importance de ce type de fonctions tient au fait qu’il faut assurer
une flexibilité maximale.
 Horloge :
 Une technique de distribution d’horloge est utilisée pour éviter le
« skew » d’horloge lors de l’opération.
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Les PLD
 Les succès des PLD sont dus à la préconception des fonctions
élémentaires (ET, OU, Bascule, etc.),
 facilite la conception,
 réduit le temps de mise en marché
 implique un faible coût de fabrication.
 Quant aux inconvénients,
 le nombre de portes par circuit est restreint.
 Conception des circuits est basée sur la synthèse des fonctions sous la
forme de sommes de produits (SoP – Sum of Products) ;
•
•
où les sommes sont réalisées par les fonctions logiques OU et
les produits, par les fonctions logiques ET.
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Les PLD
Exemple (1) : Utilisation PAL avec technologie fusible
Soit la fonction combinatoire Z .
Z = AB+ B
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Les PLD
Exemple (1) : Utilisation PAL avec technologie fusible
Soit la fonction combinatoire Z .
Z = AB+ B
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Catégories de PLD
PLE : Programmable Logic Element
• Plan ET fixe
• Plan OU programmable
PAL : Programmable Array Logic
• Plan ET programmable
• Plan OU fixe
PLA : Programmable Logic Array
• Plan ET programmable
• Plan OU programmable
GAL : Generic Array Logic
• Plan ET programmable
• Plan OU programmable
• Cellule macro (OLMC)
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Catégories de PLD
Catégorie
Représentation simplifié
PLE
PAL
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Catégories de PLD
Catégorie
Représentation simplifié
PLA
bs
Mux
a
bs
Mux
D
GAL
a
Q
XOR
sb
Mux
a
CLK
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Technologies de programmation
 Fusible
 Programmable une seule fois
 Lien normalement fermé
 Antifusible (Avalanche induced migration – AIM)




Programmable une seule fois
Introduit par Intersil
Lien normalement ouvert
Offre une meilleure intégration comparativement aux fusibles
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Technologies de programmation
 Ultraviolet





Programmable plusieurs fois
Typiquement CMOS avec grille flottante
Effacement lors d’une exposition aux ultraviolets
Lien normalement ouvert
Utilise généralement des boîtiers en céramique avec une fenêtre
 Effaçable électriquement





Programmable plusieurs fois
Deux grilles commandées par signaux complémentaires
Effacement électrique
Faible coût du boîtier (plastique)
Rapidité à reprogrammer et tester
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