3

I. Generalităţi şi criterii de performanţă ale circuitelor digitale

În proiectele tradiţionale erau folosite componente analogice care au un preţ relativ redus, însă, dezavantajele principale ale sistemelor analogice constau în sensibilitate la variaţiile de temperatură, îmbătrânirea mai rapidă a componentelor şi dificultatea de a îmbunătăţi sistemul cu noi caracteristici.

Sistemele digitale elimină abaterile cauzate de variaţiile de temperatură, iar îmbunătăţirea caracteristicilor sistemului la un moment dat se poate realiza foarte uşor prin modificarea softului procesorului programabil conţinut de sistem.

În continuare se va face o prezentare a circuitelor digitale complexe existente pe piaţă, prezentare a care va facilita introducerea în discuţie a circuitelor logice programabile. Tototdată vor fi prezentae şi câteva criterii de performanţă utile în selectarea circuitului digital adecvat aplicaţiei dezvoltate.

A. Comparaţie între diferitele tipuri de circuite digitale

În cazul proiectelor care necesită procesarea în timp real a semnalelor, există în ultima perioadă de timp o multitudine de noi produse şi tehnologii care sunt din ce în ce mai „inteligente”, rapide, miniaturizate şi cu posibilităţi de interconectare sporite. Această varietate de produse îngreunează alegerea pe care trebuie să o facă proiectanţii vizavi de arhitectura optimă pentru procesarea în timp real a semnalelor. În continuare se va încerca stabilirea unui set de criterii care să uşureze alegerea unei arhitecturi optime.

Principalele circuite digitale complexe sunt: - Pprocesoare digitale de semnal (DSP-uri = Digital Signal Processor) - Microcontrolerele (MCU) - Microprocesoare de uz general / microprocesoare cu set redus de instrucţiuni

(GPP/RISC = General Purpose Processor / Reduced Instruction Set Computer)

- Arii de porţi logice programabile (FPGA = Field Programmable Gate Arry) - Circuite integrate dedicate (ASIC = Applicattion-Specific Integrated Circuit) În continuare se va face o comparaţie între cele cinci arhitecturi de circuite

digitale ţinându-se cont de câteva criterii: • timp de lansare pe piaţă - primă importanţă • performanţa - primă importanţă • preţ - primă importanţă • facilităţi de dezvoltare - primă importanţă • consum de putere - importanţă medie • flexibilitate ulterioară - importanţă redusă După cum se poate observa fiecărui criteriu i s-a acordat un anumit grad de

importanţă. În continuare va fi discutat fiecare criteriu în parte. Timp de lansare pe piaţă. Acest criteriu se referă la perioada de timp necesară ca un produs să devină disponibil pe piaţă. Acest criteriu este de maximă importanţă datorită perioadei de viaţă scurte a produselor din acest sector, perioadă care poate varia de la câteva lunii la câţiva ani. Se spune că acest criteriu conduce şi dă ritmul de dezvoltare în industria de profil.

Capitolul 1

4

Acest timp este alcătuit din două componente: 1. Faza de proiectare, care depinde de efortul economic depus; 2. Faza de fabricaţie, care depinde în cea mai mare măsură de tehnologia

de fabricaţie aleasă. În industria electronică a bunurilor de larg consum există o tendinţă clară de

reducere a timpului până la care se ajunge la producţia în masă dar şi a timpului de menţinere pe piaţă a unui produs (figura 1).

Reducerea timpului de lansare pe piaţă duce la mărirea profitului aşa cum se prezintă în figura 2. Prima companie care lansează pe piaţă un produs nou ocupă cu aproximativ 40% mai mult decât următoarea companie.

55 1100 1155 2200 AAnnii

11 mmiilliioonn

PPCCSS CCeelllluullaarr PPCC VVCCRR TTVV ccoolloorr TTVV ccaabblluu

TTVV aallbb--nneeggrruu

BBuuccăăţţii DDVVBB

DDVVDD

Start pe piata

Vârful pietii

Sfârtitulferestrei de piata

Profit pentru NR.1pe piata

Profit redus pentru plutonul doi pe piata

Start pe piata

Vârful pietii

Sfârtitulferestrei de piata

Profit pentru NR.1pe piata

Profit redus pentru plutonul doi pe piata

Figura 1 Dinamica schimbărilor în industria

electronică

Figura 2 Importanţa scurtării timpului de lansare pe piaţă a

unui produs Performanţa. Acest criteriu determină capacitatea unui produs de a îndeplini o anumită sarcină. Există mai multe moduri de a măsura performanţa unui produs, în general aceasta este exprimată în: MIPS (milioane de instrucţiuni per secundă), MMACS (milioane de multiplicări şi acumulări per secundă) sau mai simplu în MHz (milioane de perioade de tact per secundă). Importanţa criteriului performanţă poate să scadă când sunt impuse constrângeri legate de preţul produsului şi de consumul de putere. Preţul. Importanţa acestui criteriu de selecţie este strâns legată de segmentul de piaţă căruia îi este adresat produsul. Dacă produsul este orientat către zona consumatorilor casnici, preţul poate fi foarte important, dacă produsul este însă orientat spre zona de afaceri şi militară preţul poate să scadă ca şi importanţă. Facilităţi de dezvoltare/proiectare. Acest criteriu însumează alte criterii cum ar fi: suportul acordat pentru produsul respectiv, costurile de dezvoltare şi uneltele de dezvoltare. Cu cât este mai consistent suportul primit de proiectant de la producător cu atât se va realiza o dezvoltare mai rapidă a produsului. Este de dorit ca producătorul să ofere software de dezvoltare şi testare, plăci de evaluare, algoritmi. Consumul de putere. Acest criteriu este important în special în cazul produselor care necesită portabilitate, consumul mai redus de putere traducându-se printr-o viaţă mai lungă a bateriei. De asemenea un consum de putere scăzut mai poate însemna şi o disipare mai redusă de căldură. Flexibilitate. Acest criteriu se referă la posibilitatea de a schimba caracteristicile unui produs pentru a îndeplini cerinţe noi. Implementările software au cel mai scurt timp de lansare pe piaţă, datorită marii flexibilităţi şi interfeţei prietenoase a limbajelor de programare şi a compilatoarelor. Acesta este motivul principal pentru care ele sunt mai prezente pe piaţă decât implementările hardware.

Utilizarea, însă a unei tehnici de codesign HW/SW (hardware-software )asociată cu circuitele FPGA poate creşte flexibilitatea şi de asemenea poate micşora timpul de lansare pe piaţă până la o săptămână. În ultima perioadă de timp

Introducere în circuite digitale

5

criteriul de flexibilitate tinde să crească ca şi importanţă datorită strânsei lui corelări cu timpul de lansare pe piaţă a unui produs.

În figura 3 este prezentată o comparaţiei între principalele arhitecturi care permit implementarea algoritmilor de control, în funcţie de două dintre criteriile de performanţă enunţate anterior.

Figura 3 Comparaţie între tipuri de circuite digitale în funcţie de două dintre criteriile de performanţă

După cum se poate vedea din figură circuitele reconfigurabile (FPGA) oferă un compromis între performanţele unui circuit specific şi flexibilitatea unui circuit programabil prin soft. Ca şi circuitele ASIC, acestea se remarcă prin abilitatea de a implementa direct circuite specializate în hardware. În plus, la fel ca şi circuitele DSP pot fi uşor modificate în funcţie de modificarea condiţiilor de operare şi a setului de date.

În tabelul T.1 este prezentată o comparaţie, ţinându-se cont de toate criteriile enumerate mai sus, între cele cinci arhitecturi de circuite digitale care pot fi folosite în parte de control a unei acţionări electrice.

Tabel T.1 Comparaţie între diferite tipuri de arhitecturi folosite pentru aplicaţiile în timp real

Implementa-

re pe piaţă

Performanţa Preţ

Uşurinţă în

dezvoltare

Consum de putere

Flexibilitate ulterioară Concluzii

ASIC Nesatisfăcăt

or

Foarte Bun Foarte Bun Satisfăcător Bun Nesatisfăcăt

or Satisfăcăto

r

DSP Foarte Bun Bun Bun Foarte

Bun Foarte Bun Foarte Bun Foarte Bun

FPGA Bun Foarte Bun Bunr Foarte

Bun Satisfăcător Bun Bun

MCU Foarte Bun Satisfăcător Foarte Bun Bun Satisfăcător Foarte Bun Bun

RISC/ GPP Bun Bun Satisfăcător Bun Satisfăcător Foarte Bun Bun

În continuare se vor explica calificativele asociate fiecărui circuit digital

menţionat în tabelul T 1. Circuitele ASIC

Circuitele ASIC analogice au cel mai lung timp de lansare pe piaţă, deoarece trebuie proiectate şi simulate la nivel de tranzistor şi apoi testate. Faza de proiectare necesită de obicei între 6 şi 24 luni, respectiv între 1 şi 6 luni pentru ASIC digitale.

Capitolul 1

6

Astfel că în privinţa criteriului implementare pe piaţă circuitele ASIC au primit calificativul nesatisfăcător datorită perioadei lungi de proiectare, testare şi validare a soluţiilor.

Datorită faptului că, circuitele ASIC sunt prin definiţie circuite dedicate unei aplicaţii, resursele lor sunt folosite la maxim şi prin urmare preţul şi consumul de putere sunt reduse.

Din punctul de vedere al uşurinţei în dezvoltare circuitele ASIC au primit calificativul satisfăcător. Deşi circuitele ASIC sunt percepute în general ca nefiind scumpe, dacă se ia în considerare întreaga perioadă de dezvoltare cheltuielile totale cresc. Acest lucru se întâmplă datorită proiectării logice laborioase care trebuie făcută de către proiectant, cuplată cu costurile crescute de integrare a proiectului pe siliciu.

Criteriul flexibilitate nu poate să intre în discuţie când este vorba de un circuit ASIC, odată implementat pe siliciu, caracteristicile acestuia pot fi modificate numai prin reproiectare şi reimplementare.

Circuitele DSP

Din punctul de vedere al timpului de implementare pe piaţă circuitele DSP au primit calificativul foarte bine. Aceste circuite alături de procesoarele RISC şi de microcontrolere sunt procesoare programabile prin soft, ceea ce scurtează perioada de integrare pe piaţă a unui produs final. Ca şi performanţe circuitele DSP au primit calificativul foarte bine fiind în competiţie strânsă cu circuitele FPGA şi ASIC.

În ceea ce priveşte preţul, circuitele DSP sunt devansate doar de circuitele ASIC şi de microcontrolere, însă sunt foarte aproape de cele din urmă. Din punctul de vedere la consumului de putere circuitele DSP au un consum redus, mai ales cele proiectate special să îndeplinească acest criteriu.

Circuitele DSP au devenit foarte populare astfel că s-au dezvoltat medii software care uşurează şi scurtează timpul de proiectare. După cum s-a amintit şi într-un paragraf anterior circuitele DSP oferă flexibilitate maximă datorită posibilităţii de a fi reprogramate prin soft.

Circuitele FPGA

Circuitele digitale sunt mai simplu de proiectat şi testat deoarece pot fi proiectate la nivel de poartă logică sau nivel funcţional. Faza de proiectare durează între 0,5 până la 2 luni pentru FPGA

Circuitele FPGA se situează printre circuitele cu cea mai scurtă perioadă de dezvoltare şi integrare pe piaţă. Totuşi sunt devansate de circuitele DSP, microprocesoarele RISC şi a microcontrolere datorită flexibilităţii mai bune a acestora. În ceea ce priveşte performanţele circuitele FPGA au primit calificativ maxim, implementarea unui proiect făcându-se hardware performanţele se apropie de cele ale circuitelor ASIC.

Dezavantajul major al circuitelor FPGA este preţul, ele fiind cele mai scumpe în comparaţie cu toate circuitele de control luate în discuţie. Un alt neajuns major al circuitelor FPGA este şi consumul crescut de putere, datorat atât tehnologiei în care sunt executate cât şi resurselor hardware nefolosite în întregime. În ceea ce priveşte uşurinţa în dezvoltare circuitele FPGA au primit calificativul maxim, în condiţiile în care se presupune că mediul de dezvoltare nu este foarte scump, iar proiectantul este specializat în hardware nu software.

Circuitele FPGA sunt prin definiţie circuite reconfigurabile, aceasta conferind o flexibilitate crescută a acestora. Totuşi unii susţin că reprogramarea hardware a

Introducere în circuite digitale

7

acestora poate fi mai dificilă în comparaţie cu reprogramarea software, alternativă oferită de circuite cum ar fi DSP-urile şi microcontrolerele. Microcontrolere

Aceste circuite sunt programabile prin soft, prin urmare la fel ca şi DSP-urile au un timp scurt de implementare pe piaţă. Performanţele microcontrolerelor în ceea ce priveşte aplicaţiile în timp real sunt modeste ele având resurse de calcul matematic modeste, de asemenea şi frecvenţele de lucru sunt mai reduse.

După circuitele ASIC, microcontrolerele sunt cele mai ieftine circuite folosite în aplicaţiile în timp real şi de control. Consumul de putere al microcontrolerelor este considerat ca fiind satisfăcător.

Din punctul de vedere al uşurinţei de dezvoltare microcontrolerele au primit calificativul bine. Timpul de dezvoltare poate fi redus dacă se folosesc limbajele de nivel înalt şi bibliotecile cu module standard. Există numeroşi furnizori de microcontrolere şi prin urmare o reţea de suport bine pusă la punct, deşi în special experienţa celor care oferă suport este mai degrabă în domeniul aplicaţiilor integrate (embedded) decât în cel al aplicaţiilor în timp real.

Microcontrolerele sunt circuite ce pot fi programate prin soft, astfel că flexibilitatea acestora este implicită.

Procesoare RISC / GPP

Aceste procesoare sunt programabile prin soft prin urmare conferă o flexibilitate maximă şi un timp de implementare pe piaţă scurt. Din punctul de vedere al aplicaţiilor în timp real acest tip de procesoare au primit calificativul bine. Ele fiind procesoare de uz general acoperă segmentul de piaţă al PC-urilor şi sunt mai puţin folosite în aplicaţii „embedded” şi timp real. Preţul şi consumul de putere asociat acestor procesoare sunt în general considerate satisfăcătoare.

B. Comparaţie performanţe circuite FPGA – DSP

În continuare, se va restrânge selecţia, astfel că dintre „competitorii” prezentaţi anterior, se vor lua în discuţie circuitele DSP şi FPGA. Performanţele implementării pe un procesor a unui algoritm pot fi analizate nu numai prin prisma frecvenţei de lucru a acestuia ci mai ales prin prisma numărului de operaţii de multiplicare-acumulare raportate la un interval de timp stabilit.

Procesoarele digitale de semnal convenţionale utilizează o arhitectură care prin natura ei este serială. Blocurile de multiplicare – acumulare (MAC) sunt de obicei resurse partajate. Controlerele PID folosesc intensiv blocurile MAC deoarece fiecare intrare de date trebuie multiplicată cu coeficienţii de amplificare şi apoi rezultatele însumate. Cu cât algoritmul este mai complex, creşte şi numărul de blocuri MAC necesare pentru calculul rezultatului. Folosirea unui procesor cu frecvenţă de lucru ridicată creează dificultăţi suplimentare astfel că la funcţionarea în timp real, pentru semnale de frecvenţă foarte ridicată este optimă utilizarea tehnicii de procesare în paralel utilizând mai multe blocuri MAC. Arhitectura modernă a circuitelor FPGA permite procesarea paralelă care foloseşte mai multe blocuri MAC.

Capitolul 1

8

Performanţa circuitelor FPGA poate atinge 500 miliarde de MAC pe secundă într-un Virtex II XC2V8000 care este cu mult mai mult decât ceea ce poate fi realizat cu un procesor DSP convenţional. O comparaţie între performanţele celui mai rapid DSP şi a câtorva circuite FPGA este prezentată în tabelul T 2.

Procesorul de semnal cu care s-a făcut comparaţia este TMS320C64x. Acesta are patru blocuri MAC de 16x16 biţi care pot lucra în paralel la o frecvenţă maximă de 720 MHz. Fiecare bloc MAC poate fi folosit ca două blocuri separate de 8x8 astfel încât rezultă:

Tabelul T2. Comparaţie între performanţele DSP şi FPGA

Funcţia implementată

Cel mai rapid procesor DSP Virtex-II Virtex-II Pro Spartan-3

8 x 8 MAC 5,7 miliarde MAC/s

0,5 Tera MAC/s 1 Tera MAC/s 0,27 Tera MAC/s

Filtru FIR - 256 date/coeficienţi -

16-biţi

11.16 MSPS 720 MHz

180 MSPS 180 MHz

300 MSPS 300 MHz

140 MSPS 140 MHz

FFT Complex - 1024 puncte,

date 16-biţi

8,5 µs 720 MHz

0,914 µs* 140 MHz

0,853 µs** 150 MHz

0,914 µs*** 140 MHz

* Folosind 96 de multiplicatoare dedicate şi 24 blocuri RAM din Vitex-II (XC2V3000) ** Folosind 96 de multiplicatoare dedicate şi 24 blocuri RAM din Vitex-II Pro (XC2VP30) *** Folosind 96 de multiplicatoare dedicate şi 24 blocuri RAM din Spartan-3 (XC3S4000)

8 x 720 MHz = 5,76 miliarde MAC/s

Circuitul FPGA XC2V8000 are 46.592 celule logice elementare (slice-uri), care

permit efectuarea a aproximativ 461 miliarde MAC/s şi de asemenea 168 multiplicatoare dedicate care lucrează la frecvenţa de ~ 180 Hz (pentru 8x8) astfel încât:

168 x 180 MHz = 30 miliarde MAC/s,

deci un total general de 461 + 30 = 491 miliarde MAC/s, spre deosebire de cele numai 5,7 miliarde MAC/s ale procesorului DSP, TMS320C64x . [83]

Introducere în circuite digitale

9

II. Domenii de utilizare ale circuitelor FPGA

- Industria aerospaţială şi de apărare – Începând din 1989 firma Xilinx furnizează soluţii pentru această ramură industrială. Circuitele FPGA sunt soluţii viabile pentru sisteme radar, sisteme criptografice, sisteme de procesare a imaginii sau sisteme de control de la distanţă.

- Industria constructoare de maşini – În sisteme de asistare vizuală şi de recunoaştere a traseului şi de asistenţă la parcare şi la mers cu spatele, în sisteme de afişare a informaţiei pe afişaje LCD, sisteme multimedia (unităţi video încorporate în tetiere), în reţelistica industrială pentru magistrale CAN (Controller Area Network) şi MOST (Media Oriented System Transport).

-

Figura 4. Soluţii pentru industria constructoare de maşini

- Industria audio, video şi brodcast – Soluţii de procesare şi interfaţare audio-video, compresie, corecţie a erorilor, modulare a semnalului şi de difuzare (brodcast) a acestuia. Soluţii de transmitere audio-video prin mediul etherneth, IPTV, vezi figura 1.

Capitolul 1

10

Figura 5. Soluţii audio-video şi brodcast - Industria produselor de consum – Soluţii pentru modemuri de cablu, XDSL, ISDN. Soluţii pentru controlere ethernet, USB, bluetooth, Firewire, SATA, IDE etc. Soluţii pentru casa inteligentă, interconectarea aşa numitelor „insule de tehnologie”, prezente într-o casă modernă.

Figura 6. Soluţii pentru bunuri de larg consum

- Domeniul procesarea şi stocarea datelor – Soluţii pentru NAS (Network Attached Storage), şi SAN (Storage Area Network). Soluţii pentru securitatea datelor: module pentru autentificare cu algoritmi MD5 şi SHA-1 şi SHA-2, module pentru cifrare cu algoritmi DES, 3DES şi AES.

- Domeniul industrial, stinţific şi medical – Soluţii pentru reţelistica industrială: etherCAT, EthernetPOWERLINK, SERCOS III. Soluţii pentru supraveghere

Introducere în circuite digitale

11

video, module care includ atât captura, compresia imagini cât şi transportul prin intermediul modululeler fast şi gigaethernet. Soluţii pentru controlul motoarelor.

Figura 7. Sistem de supraveghere

Figura 8. Controlul motoarelor

- Domeniul comunicaţiilor de date pe suport Cu sau optic – Soluţii pentru procesarea pachetelor de date: managementul traficului, agregarea ethernet. Soluţii pentru implementarea memoriilor de tip CAM (Content Addresable Memory) necesare în dispozitivele layer 2.

Capitolul 1

12

Figura 9. Tester de reţea

- Domeniul comunicaţiilor fără fir (wireless) – Soluţii de procesare digitală a semnalelor RF: transformata Fourier, modulare adaptivă. Soluţii pentru standardele WCDMA/HSPA, WiMax, TD-SCDMA.

Mai multe detalii pe http://www.xilinx.com, secţiunea Market Solutions.

III. Fabricanţi de circuite FPGA Xilinx – cel mai important; Altera – al doilea ca importanţă; Lattice Semiconductor – fabrică circuite FPGA non-volatile bazate pe memorii flash; Actel – fabrică circuite FPGA bazate pe fuzibile (programabile o singură dată) şi circuite FPGA bazate pe celule de memorie flash; Quick Logic - fabrică circuite FPGA bazate pe fuzibile; Cypress Semiconductor Atmel - furnizează soluţie de circuite FPGA care încorporeză microcontrolere din familia AVR; Achronix Semiconductor – dezvoltă circuite FPGA foarte rapide care lucrează la viteze apropiate de 2 GHz.