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みさえあきます
5 years ago
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1 ディジタル回路設計の基礎京都大学情報学研究科小林和淑

2 内容単相クロック完全同期回路構成要素 D フリップフロップ同期回路の性能ハードウエア設計手法論理設計手法の歴史ハードウエア記述言語 RTL 設計 LSI の設計フローセルベース設計とゲートアレイ PLD と FPGA 2

3 単相クロック完全同期回路

4 同期回路とは? 時間方向を同期パルス ( クロック ) により量子化 ( ディジタル化 ) した回路クロックによりクロックとの間のタイミングを考慮するだけでよくなるクロックがないとすべての信号の時間関係を考慮して設計を行わなければならないクロックは通常記憶素子 ( フリップフロップ ) に入力されるクロックが入力される毎に FF の値が変わる 4

5 同期回路の構成要素 RST フリップフロップ (FF) からなる記憶素子 RST RST D FFA Q D FFB Q CLK CLK 組み合わせ論理回路 A B RST 入出力ピン D FFC CLK Q CLK 5

6 単相クロック完全同期回路記憶素子はフリップフロップ (FF) のみである外部から単一のクロックが与えられるこのクロックの立ち上がりもしくは立ち下がりエッジのどちらか一方にすべての FF が同期して動作する通常の同期設計では立ち上がりエッジに同期する FF と立ち下がりエッジに同期する FF が混在してはならない非同期リセットは通常電源投入時のみ使用する 6

7 基本論理ゲート NOT AND OR XOR MIL A Y A Y B A B Y A B Y A B Y Verilog-HDL Y=~A Y=A&B Y=A B Y=A^B 2 進数の各種演算を実行するための基本演算複合演算を実現する複合ゲート ANDNOR 等 7

8 組み合わせ論理回路の例全加算器 A B C S C A B C S C+ S = A Φ B Φ C 回路図真理値表と論理式 C+ = A&BjB&CjC&A 8

9 LSI 中の CMOS 基本論理ゲート CMOS 論理ゲートは負論理 (NOT, NAND, NOR) が基本 A B Y A Y VDD + = A Y VDD B B Y A Y A B C+ A S C 9

10 D フリップフロップリセット CLK 入力出力 D クロック Q 入力の変化がクロックの立下りまたは立ち上がりにより出力に伝わる通常リセットはクロックとは非同期 10

11 CMOS 論理ゲートを用いた D-FF 面積が大きくなるので LSI 中では使用されない SET RST Q CLK Q D 11

12 D フリップフロップの回路構造集積回路中の D-FF は, マスターとスレーブの 2 個の D-Latch を接続した構造をしている CLKN master CLKP slave D Q CLKP CLKP CLKN CLKN CLKN CLKP CLKN CLKP CLK ポジティブエッジトリガ型 D フリップフロップの一例 ( リセットなし ) 12

13 D フリップフロップの回路構造 ( 続き ) RST CLKN master CLKP slave D Q CLKP CLKP CLKN CLKN CLKN CLKP CLK CLKN CLKP D-FF 非同期リセットつき 13

14 D フリップフロップの動作 D Q CK CK D master マスター動作時 (CLK=0) slave Q CK CK master スレーブ動作時 (CLK=1) slave 14

15 セットアップとホールド時間 t setup t hold セットアップホールド時間を守らないと誤動作 ( ハザード ) を起こす場合がある先ほどの回路構造からセットアップ時間ホールド時間がどの部分の遅延に依存するか考えてみよう 15

16 DFF による遅延素子 RST RST RST RST RST IN D D-FF Q D D-FF Q D D-FF Q D D-FF Q OUT CLK CLK CLK CLK CLK D-FF を 4 個つなげば 4 クロック遅れる遅延素子に CLK IN OUT 遅延させるだけでは何もできない記憶を行わなければならない 16

17 イネーブルつき DFF (DFFE) DFFE RST RST D selector D DFF CLK Q Q ENABLE CLK ENABLE=1のとき Dの入力を取り込む ENABLE=0のときは Qを保存値の記憶に使う 17

18 同期回路の性能 FFA FF FFC FFB FF 間の遅延を削減すれば性能 ( クロック周波数 ) があげられるクリティカルパス : 最大遅延パス FFへのクロック供給をしっかり行いクロックのずれ ( スキュー ) をなくすことが大事クロックツリー等 18

19 クロックの両エッジ設計者の陥る誘惑クロックの両エッジを使うと 1 クロックで倍の仕事ができる両エッジを使うのは誤動作の温床周波数は変わらないがデューティー比は簡単に変わる両エッジを使うならクロック周波数を倍にせよデューティー比をコントロールできれば使用することも可 19

20 クロックのデューティー比入力デューティー比 50:50 3 段目デューティー比 48.8:51.2 両エッジを使うとさらに余分なインバータが入りクロックの位相がずれる入力 1 段目 2 段目 3 段目 20

21 ハードウエア設計手法

22 ハードウエア設計手法の歴史 50 代 : 頭で考えて紙に書き TTL で実装 40 代 : 回路図を CAD で描いて LSI で実装 30 代 : HDL より論理合成 20 代 : さらに高級な言語 (C, C++ 等 ) より直接回路を合成 ( システムレベル記述言語 ) 回路規模 ( ゲート数 ) ここを説明ゲート数に比例して回路設計の抽象度がどんどんあがっている 22

23 回路設計のつぼ回路設計技術の向上が目覚しいが動作から自動的に最適な回路を作る技術はまだまだ人間による最適な回路構造の設計が重要 3つの力動作から回路をおこす想像力よりコンパクトで高速な回路を考える技術力さまざまなツールを使いこなす応用力» CADツール間のフィルタ記述 (perl, awk, sed 等 )» Window のボタンをクリックしているだけではよい LSI はできない 23

24 HDL の目的目的とする回路の機能を人間のわかりやすいようにテキストで記述して, その記述から自動的に回路記述を生成する HDL 記述回路高級言語回路論理合成高位合成 24

25 動作記述と RTL 記述動作記述回路の動作を記述するクロックがないソフトウエアとほぼ同じ RTL(Register Transfer Level) 記述レジスタ ( 記憶素子 FF) 間の接続関係を表現したものそのまま論理合成に使える事が多い 25

26 HDL の種類 Verilog-HDL と VHDL Verilog-HDL: Cadence 社の論理シミュレータ用言語から派生 VHDL: 回路仕様を書くことを目的に標準化どちらも論理合成を目的として開発した言語ではない記述できるが合成できないシミュレーションできるが合成できない合成しても正しく動作しない 26

27 Verilog-HDL と VHDL(Cont.) Verilog-HDL: 抽象度が低い回路的電気系向き VHDL: 抽象度が高いプログラム的情報系向き S0, S1, S2 の状態へのマッピング `define S0 2'b00; `define S1 2'b01; `define S2 2'b10; type state is (S0,S1,S2); 割り当ては合成任せビット数と割り当てを明示 27

28 Verilog-HDL による論理素子 A B A B Y Y assign Y=A&B; assign Y=A B; D RST DFF CLK Q CLK or negedge RST) if(!rst) Q<=0; else Q<=D; 28

29 HDL を使うメリット抽象度をあげられる HDL HDL A B FPGA A B FPGA A B 29

30 HDL を書くための準備回路中のフリップフロップ, レジスタ等の記憶素子の構成を決めるそれらフリップフロップ, レジスタをどのように接続するかを考え, ブロック図を書くレジスタ間に存在する組み合わせ回路の詳細は考える必要はないレジスタの動作を記述する (RTL 設計 ) どのような回路を意図するか? が重要ブロック図を書いて意図した以外の FF, レジスタが入るのを防ぐ 30

31 HDL 設計の例 ( カウンター ) 記述 A module counter(out,clk); input CLK; output [3:0] out; DFF DFF0(q0,d0,CLK); DFF DFF DFF1(q1,d1,CLK);... assign d0=q0&~q1...; 組み合わせ assign d1=...; 論理回路 endmodule ただ単に回路図をテキストで書いただけ記述 B module counter(out,clk); input [3:0] in; input CLK; output [3:0] out; reg [3:0] out; CLK) out<=out+1; endmodule レジスタ ( フリップフロップ ) の動作を記述する 31

32 RTL 設計の例例題 : 自動販売機の入金額と商品購入額よりお釣りを計算する動作入力 : 入金額 (1 回のみ ) 購入商品代金 ( 複数 ) 出力 : お釣り 32

33 自動販売機お釣り計算 CLK e_in 10 in[9:0] e_item 10 item[9:0] 入金後商品のボタンを押せばその金額が送られてくる入金があったときと商品のボタンを押したときにはそれに同期したパルスが入力される 33

34 RTL 設計使用するレジスタを決めるレジスタ間の接続を決めるレジスタに書き込む条件を決める使用するレジスタ inmoney[9:0] 入金額 itmoney[9:0] 商品代金 change[9:0] お釣り入金額 in 商品代金 item e_in EN inmoney itmoney????? change お釣り change Change に書き込む条件? 34 EN e_item

35 RTL 設計の最適化入金額商品代金は覚えておかなくてよい制御が簡単なように RTL を変更する使用するレジスタ change[9:0] お釣り e_in が 1 なら in, e_item が 1 なら減算結果を書き込む in item change change Verilog-HDL 記述 module vend(change,e_in,e_it,in,item,clk); output [9:0] change; input e_in,e_it,clk; input [9:0] in,item; reg [9:0] change; CLK) if(e_in) change<=in; else if(e_it) change<=change-item; endmodule 35

36 最適な RTL を設計するには経験と勘が必要豊富な設計経験共有できるものは共有する ( リソースシェアリング ) ただし共有するとかえって悪くなる場合もあるどのような回路が合成される ( た ) かを考える RTL 記述がどのような回路になるか? たとえば HDL の if 記述の多階層化 if() if() if(). クリティカルパスがどんどん長くなる 36

37 LSI の設計フロー

38 LSI の設計フロー ( 設計側 ) nand2 A B (LVS) C HDL module nand_g(c,a,b); input A,B; output C; assign C=~(A&B); endmodule module nand_g(c,a,b); input A,B;output C; nand2 I0(C,A,B); endmodule n 1 A B (LVS) nand2 C HDL module nand_g(c,a,b); input A,B; output C; assign C=~(A&B); endmodule module nand_g(c,a,b); input A,B;output C; nand2 I0(C,A,B); endmodule LSI 1 LSI 38

39 LSI の設計フロー ( 製造側 ) nand2 A B (LVS) C HDL module nand_g(c,a,b); input A,B; output C; assign C=~(A&B); endmodule module nand_g(c,a,b); input A,B;output C; nand2 I0(C,A,B); endmodule レイアウトとマスクは 1 対 1 対応ではない n 1 n 1 LSI 1 LSI 1 LSI LSI 39

40 LSI の設計フロー (Cont.) 論理設計 : ネットリスト回路図エントリ HDL 記述からの論理合成レイアウト設計 : レイアウトパタンフルカスタム : 全部手で書くセミカスタム : ある程度自動化マスク設計 : マスクパタンレイアウトパタンからマスクを作成 LSI の製造クリーンルームにて原理は印刷と同じ 40

41 セルベース設計とゲートアレイ (GA) フルカスタム ( レイアウトを手で描く ) では時間と費用がかかりすぎる!! ただし性能は圧倒的によくなるセルベース設計 ( スタンダードセル ) あらかじめ基本論理ゲートのパタンを用意しそれを規則的に並べるゲートアレイ (GA) 基本論理ゲートの下地を作っておき配線のみ変更設計期間製造期間の短縮マスク代が安くなる 41

42 スタンダードセルレイアウト例チップ全体のレイアウト PAD 領域 VDEC CMOS1.2um 2.3mm 角 Core 領域 42

43 スタンダードセルレイアウト例レイアウトの一部論理ゲート FF 等のライブラリセルをアレイ上に並べてから配線を行う 43

44 PLD と FPGA

45 プログラマブルロジック (PLD) 設計者が自由にその機能を変更できる LSI の総称 ( 広義 ) MPD: マスクプログラマブル製造時に変更 FPD: フィールドプログラマブルその場で変更 PLD の種類 PLA: Programmable Logic Array» AND-OR アレイ PAL: Programmable Array Logic»OR アレイが固定» 派生品として GAL, PLD( 狭義 ) 45

46 PLD の構造 OR OR PAL OR AND AND DFF PLA, PAL GAL, PLD 46

47 PAL のプログラム例 AB+AC A B C 47

48 FPGA (Field Programmable Gate Array) フィールドプログラマブルな大規模集積回路ようは大規模な PLD 論理ゲートとフリップフロップをアレイ上に敷き詰めてその間の結線を自由に変更ただし論理ゲートそのものが内蔵されているとは限らないコンフィグレーションデータを書き込むことにより機能が変化する MPGA: Mask Programmable Gate Array 一般的にGA 48

49 FPGA の構造組み替え可能な論理ブロック論理ブロック間を接続する組み替え可能な配線 49

50 FPGA のプログラム記憶方式 FPGA の現在の構成 ( コンフィグレーション ) を覚えておく方法 SRAM 等の揮発性メモリに書き込む. もっともポピュラー特別なプロセスを必要としない EPROM, EEPROM 等の不揮発性メモリに書き込む. 電圧をかけて, アンチヒューズを短絡させる. 50

51 プログラム方式 BL WL SRAM ロジックと同じプロセスで製造できる冗長度が大きい BL To Switch Floating Gate EPROM,EEPROM 特殊なプロセスを要求冗長度は小さい >100G 51 IN A B A B open Anti-fuse 小さくて高速 Apply 16V between A and B 書き込みは一度だけ OUT

52 FPGA の特性分類 SRAM EPROM 書き込み回数に制限のあるものが多い 52

53 XILINX XC シリーズの構造 A CLB CLB CLB B C (LUT) (SRAM) FF CLB CLB CLB CLB CLB CLB D CLB CLB CLB CLB CLB: Configurable Logic Block 53

54 LUT(Look-up Table) SRAM 型 FPGA の可変論理を実現する A, B, C, D の 4 ビット入力をワード線とした 1 ビットの SRAM SRAM の中身を書き換えることで任意の論理を実現 (A B)&(C D) に対する LUT B C D A

55 スイッチマトリックス SRAM 型 FPGA の可変配線を実現任意の接続が可能 55

56 ALTERA FLEX の構造 (LE) A B C D LAB (LAB LE ) LUT FF (LE) LAB (LAB) ( 1) 56

57 FPGA の設計法 A B nand2 C HDL module nand_g(c,a,b); input A,B; output C; assign C=~(A&B); endmodule 通常の LSI と同じ設計手法を取る LUT を直接設計するわけではない FPGA の配置配線は各 FPGA ベンダー配布のツールにより行う module nand_g(c,a,b); input A,B;output C; nand2 I0(C,A,B); endmodule LE LSI CAD FPGA FPGA 00/8/7,11 VLSI 設計夏の学校ディジタル回路設計の基礎 57

58 CAD FPGA ベンダのツール CAD FPGA Compiler II Synopsys spectrum Exemplar Synplify Synplicity Synopsys(Viewlogic) WorkView Office FPGA MAX+plus II Quartus, ALTERA Alliance, XILINX DeskTop Actel FPGA Compiler IIはVDECのライセンスで利用可能各社 FPGAの無償ツールあり大学向けのプログラムもあり See ベンダ名.com/ 58

59 まとめ記述レベルがどんどん抽象化していっても RTL はしばらく生き残る回路の動作から最適なRTLを導き出す能力を養うことが肝要組み合わせ回路の最適化は計算機に任せればよいが記述からどのような回路が合成されているかは見ておく 59

60 参考資料ディジタル集積回路の設計と試作 VDEC 監修浅田邦博編 ( 培風館 ) ISBN / 定価 3000 円著者 : 越智裕之 ( 広島市立大学 ) 池田誠 ( 東京大学 ) 小林和淑 ( 京都大学 ) 本資料にて PDF で公開予定琵琶湖 WS ポスターセッションの投稿を!! 賞金 10 万円締切 8 月 31 日 60

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Microsoft PowerPoint - FPGA PLD と FPGA VLD 講習会京都大学小林和淑 1 PLD FPGA って何 PLD: Programmable Logic Device プログラム可能な論理素子 FPGA: Field Programmable Gate Array 野外でプログラム可能な門の隊列? Field: 設計現場 Gate Array: 論理ゲートをアレイ上に敷き詰めたLSI MPGA: Mask Programmable