3. Методические указания по проведению лабораторных работ Лабораторная работа № 1. Декомпозиция 3d изделия

Цель работы: проведение на основании системного представления проектируемого изделия декомпозиции проекта, определение необходимых требований к модулям, межсоеденениям, определение топологических требований и технологии, создание поведенческих моделей.

Методические указания к выполнению

Получить у преподавателя или предложить самому структурную схему проектируемого изделия, аналогично приведенной на рис. 3.1.1.

Рис. 3.1.1. Структурная схема

Согласно структурной схемы разделить проект на:

ВЧ часть;

аналоговую часть;

цифровую часть: процессорную (ЦОС) и логическую;

сенсорную часть (датчики);

питающую часть.

Определить требования к модулям и свести в табл. 3.1.1.

Таблица 3.1.1

Модуль	Технология	Межсоеденения и тип монтажа	Топологические требования	Модель

Для модулей создать поведенческую модель.

Модель создается для аналоговых модулей в виде Spice описаний, SystemC, SystemVerilog. Для цифровых модулей предпочтительнее на языках описания аппаратных средств Verilog и VHDL, готовых для синтеза.

Провести предварительную оценку занимаемой топологии и быстродействия по методике для цифровых модулей, приведенной ниже:

- предварительная оценка занимаемой логической емкости проекта (сумматоров, умножителей, регистров, счетчиков, ОЗУ, ПЗУ, логика управления);

- оценка быстродействия проекта;

- вычисление потребляемой мощности;

- оценка температурного режима.

Расчет занимаемой логической емкости умножителем

При оценке занимаемого объема умножителем необходимо учитывать разрядность, число тактов, синхронность входов и выходов. В общем случае занимаемый объем оценивается в четыре этапа.

На первом этапе определяется необходимая разрядность операндов. В случае разной разрядности, в зависимости от требований к быстродействию или занимаемому объему, руководствуются правилом: для уменьшения числа тактов входом множимого (А) принять наибольшую разрядность, для множителя (В) – меньшую, в этом случае уменьшается число тактов, но увеличивается длина канала переноса, то есть занимаемый объем; для повышения быстродействия (частоты) множимое – меньшую разрядность, множитель – большую.

На втором этапе рассчитывается число тактов f по формуле (3.1.1)

, (3.1.1)

На третьем этапе рассчитывается число слайсов Sk для каждого такта по формуле (3.2)

, (3.1.2)

где r – номер такта.

На четвертом этапе суммируется число слайсов каждого такта.

, (3.1.3)

При расчете необходимо иметь в виду, что формулы (3.1.1) – (3.1.3) не учитывают дополнительные управляющие опции сброса (синхронного или асинхронного), загрузки и т.д. В табл. 3.1.2 приведены данные по быстродействию и занимаемому объему.

Таблица 3.1.2

Характеристики умножителя

Разрядность множимого		Разрядность множителя	Число слайсов	КЛБ	Быстродействие, МГц
умножитель с синхронными входом и выходом
8	8		40	R8xC4		167
16	16		152	R16xC8		143
32	32		576	R32xC16		111
умножитель с асинхронными входом и выходом
8	8		36	R6xC4		83
16	16		140	R12xC8		59
32	32		544	R24xC16		43

Оценка объема, занимаемого логическими функциями, производится путем пересчета их в архитектурные элементы кристалла: логику ускоренного переноса.

Оценка быстродействия

При потоковой обработке производительность удобно оценивать в длительности времени вычисления, связанного с тактовой частотой. Оценка быстродействия на межрегистровые пересылки приведена в табл. 3.1.3.

Таблица 3.1.3

Быстродействие межрегистровых пересылок

Функция	Разрядность, бит	Быстродействие, нс
Сумматор	16, 64	5.0, 7.2
Конвейерный умножитель	8х8, 16х16	5.1, 6.0
Декодер адреса	16, 64	4.4, 6.4
Мультиплексор 16:1		5.4
Вычисление паритета	9, 18, 36	4.1, 5.0, 6.9

Оценка потребляемой мощности

Потребляемая мощность SiP зависит от напряжения питания, тактовой частоты системы и сложности проекта. Приближенно оценить потребляемую мощность P, можно по следующей формуле:

P=Po+∑Pклб ·Nклб ·Fклб + ∑Pбвв ·Nбвв ·Fбвв·Cбвв + ∑Pдл ·Nдл ·Fдл , (3.1.4)

где Р0 – статическая потребляемая мощность SiP, мВт;

Pклб – удельная потребляемая мощность одного ЛБ, мВт/МГц;

Nклб – количество КЛБ, переключающихся с частотой Fклб, МГц;

Pбвв – удельная потребляемая мощность одного БВВ, сконфигурированного как выход мВт/пФ/МГц;

Nбвв – количество выходов, нагруженных на эквивалентную емкость Cбвв, пФ и переключающихся с частотой Fбвв,

Рдл – удельная потребляемая мощность одного глобального тактового буфера и длинной линии, мВт/МГц;

Nдл – количество тактовых буферов и длинных линий, переключающихся с частотой Fдл, МГц.

Параметры динамического потребления мощности при температуре 25 °С приведены в табл. 3.1.4.

Таблица 3.1.4

Оценка динамического потребления мощности

Элемент архитектуры	Мощность, мВт/Мгц
Ненагруженный триггер или нагруженный на триггер этого же или соседнего блока	0,10
Такой же триггер, дополнительно нагруженный на девять линий связи	0,40
Ненагруженный выходной буфер с ТТЛ уровнем	0,50
Выходной буфер с ТТЛ уровнем с нагрузкой 50 пФ	1,50
Ненагруженный выходной буфер с КМОП уровнем	0,62
Выходной буфер с КМОП уровнем с нагрузкой 50пФ	1,87
Глобальный тактовый буфер	0,50
Длинная линия полной длины, управляемая ЛБ и нагруженная на один ЛБ	0,50

Оценка температурного режима

Рабочая температура корпуса SiP зависит от варианта исполнения: коммерческое от 0 до 70 °С; промышленное – от 40 до 85°С; военное – от 55 до 125 °С. Предельная температура кристалла, при которой обеспечивается надежная работа ПЛИС, составляет 125 °С для пластмассовых корпусов и 150 °С для керамических. Однако оговоренные в документации параметры справедливы для температуры кристалла не более 85 °С. Если температура кристалла превышает эту величину, то следует учитывать температурное изменение задержек распространения сигналов по кристаллу, которое составляет 0.35 %/°С.

Определение максимальной потребляемой мощности, при которой обеспечивается нормальный тепловой режим его кристалла, производится по формуле:

, (3.1.5)

где Т_ос – максимальная температура окружающей среды, °С;

R_кp-оc – тепловое сопротивление между кристаллом и окружающей средой, °С/Вт;

Т_к – максимальная температура корпуса;

Т_кр – максимальная температура кристалла, °С;

R_кp-к – тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом, °С/Вт.

Тепловые сопротивления измерялись при температуре от 22 до 25 °С и естественной конвекции. В случае принудительной конвекции можно использовать поправочные коэффициенты. Для пластмассовых корпусов при скорости воздуха 1,3 м/с значение умножается на 0,75; при 2,5 м/с на 0,67; при 3,8 м/с на 0,63.

Формируется предварительное представление облика 3D изделия, как показано на рис. 3.1.2.

Рис. 3.1.2. 3D изделие

Отчет по лабораторной работе должен содержать: структурную схему 3D изделия, результаты выполнения заданий п. 1 – 6. Выводы по каждому из задний и постановку задачи для проектирования каждого из модулей (проект технического задания).