Progettazione di Dispositivi Biomedici Programmabili - Appunti

ALU+ R+

+ !"#

+ R+

! !

!"

+

+

+ CK+ CK+

Programma+

+ Istruzione+

+

+

+

28+ Progettazione+di+Dispositivi+Biomedici+Programmabili+6+Appunti+

Nel+ caso+ in+ cui+ la+ “funzione”+ digitale+ da+ eseguire+ sui+ dati+ sia+ particolarmente+ complessa+ può+ risultare+ conveniente+

utilizzare+come+blocco+digitale+un+microprocessore+o+un+processore+per+l’elaborazione+digitale+dei+segnali+(Digital+Signal+

Processor+ 6+ DSP).+ L’utilizzo+ di+ un+ DSP,+ però,+ può+ introdurre+ una+ latenza+ più+ elevata+ rispetto+ all’utilizzo+ di+ hardware+

dedicati+ad+eventuali+scopi. DSP+

! ! ! !

!" !"#

Istruzioni+ CLOCK+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+ Progettazione+di+Dispositivi+Biomedici+Programmabili+6+Appunti+ 29+

M ICROCONTROLLORE!

Introduzione(

!

Negli+ ultimi+ decenni+ si+ è+ verificata+ una+

crescita+ notevole+ di+ dispositivi+ che+

possiedono+ al+ loro+ interno+ o+ un+

microprocessore+ o+ un+ microcontrollore+

tanto+ che+ è+ stata+ formulata+ una+ legge+

empirica+detta+legge,di,Moore,+secondo+cui+

ogni+ 12/18+ mesi+ raddoppia+ il+ numero+ di+

dispositivi+ integrabili.+ Questo+ significa+ che,+

per+ esempio,+ a+ parità+ di+ dimensioni+ dopo+

12/18+mesi+è+possibile+realizzare+i+circuiti+su+

piastre+di+silicio+più+grandi,+il+che+non+è+così+

scontato+ perché+ lavorare+ il+ silicio+ per+ i+

circuiti+prevede+tecnologie+avanzate.+

Contestualmente,+ maggiore+ è+ il+ numero+ di+

pezzi+ minori+ sono+ i+ costi+ per+ bit+ dei+ circuiti+

integrati.+

È+possibile+individuare,+nel+tempo,+diverse+densità+di+integrazione:+

SSI+(Small'Scale'Integration)+→+dagli+anni+’65+al+’70+in+cui+erano+presenti+da+2+a+200+transistori;+

• MSI+(Medium'Scale'Integration)+→+dal+’70+al+’75+in+cui+erano+presenti+da+200+a+2000+transistori;+

• LSI+(Large'Scale'Integration)+→+dal+’75+al+’85+in+cui+erano+presenti+da+2000+a+20000+transistori;+

• VLSI+(Very'Large'Scale'Integration)+→+dal+’85+ai+primi+anni+’90+in+cui+si+raggiungeva+il+milione+di+transistori;+

• ULSI+(Ultra'Large'Scale'Integration)+→+dagli+anni+’90+ad+oggi,+con+oltre+un+milione+di+transistori.+

•

Progettare+ un+ circuito+ integrato+ negli+ anni+ ’70+ che+ contenesse+ 1506200+ transistori+ era+ difficile+ perché+ esistevano+

pochissimi+supporti+alla+progettazione,+tanto+che+erano+progettati+solo+presso+le+poche+silicon+foundry.+Dagli+anni+’80+

iniziarono+ ad+ essere+ sviluppati+ i+ CAD+ che+ permettevano+ di+ progettare+ in+ modo+ autonomo+ circuiti+ integrati+ per+

applicazioni+ specifiche,+ detti+ ASIC+ (Application' Specific' Integrated' Circuit).+ I+ CAD+ erano+ paradossalmente+ sviluppati+

dalle+ditte+che+ne+avevano+bisogno+e,+solo+successivamente,+il+loro+sviluppo+si+spostò+nelle+aziende+specializzate+e+nelle+

università.+

Il+ loro+ sviluppo+ permise+ vantaggi+ notevoli+ nella+ realizzazione+ di+ componenti+ custom+ permettendone+ uno+ sviluppo+

ottimale+ad+alte+prestazioni,+una+maggior+scelta+tra+diverse+tecnologie+ottimizzando+così+anche+il+costo.+

Alle+ volte+ la+ scrittura+ del+ software+ può+ essere+ anche+ tre+ o+ quattro+ volte+ più+ complessa+ dello+ sviluppo+ hardware;+ per+

questo+motivo+è+conveniente+sviluppare+software+di+buona+portabilità.+

+

+

+ Metodiche(di(progetto(

!

La+realizzazione+su+silicio+di+circuiti+integrati+può+seguire+tre+diversi+metodi+di+progettazione:+

full+custom,+

• standard+cell,+

• gate+array.+

•

Le+differenze+sono+legate+solamente+alla+base+di+partenza,+alle+prestazioni+richieste,+ai+costi+e+tempi+di+progettazione+(in+

base+anche+alla+disponibilità+di+CAD)+ed+ai+costi+e+tempi+di+produzione.+

+ Full(custom(

o

In+ questo+ metodo+ di+ progettazione+ non+ si+ ha+ alcuna+ base+ di+ partenza+ ma+ solamente+ vincoli+ tecnologici+ dettati+ dalle+

silicon+ foundry.+ Vengono+ progettate+ tutte+ le+ componenti+ necessarie+ per+ realizzare+ le+ funzioni+ del+ circuito+ come+

transistori,+ resistenze,+ porte+ logiche+ ed+ elementi+ di+ memoria.+ Una+ volta+ progettati+ i+ blocchi+ bisogna+ progettare+ le+

30+ Progettazione+di+Dispositivi+Biomedici+Programmabili+6+Appunti+

interconnessioni+tra+i+blocchi+base+così+da+determinare+la+funzione+(sommatore,+processore,+…)+senza+dimenticare+tutti+

i+circuiti+d’interfaccia+I/O+legati+alle+caratteristiche+elettriche+richieste.+

Questo+tipo+di+progettazione+richiede+necessariamente+tutti+i+passi+di+progetto+e+fabbricazione.+

VANTAGGI:+massima+flessibilità+di+progetto+e+massima+ottimizzazione.+

SVANTAGGI:+elevato+tempo+di+sviluppo,+complessità+di+verifica+ed+alti+costi.+

È+ consigliato+ utilizzare+ una+ metodica+ full+ custom+ solo+ se+ sono+ prodotti+ grandi+ volumi+ così+ da+ coprire+ i+ costi+ e+ se+ le+

prestazioni+richieste+non+sono+ottenibili+attraverso+altri+metodi.+

+ Standard(cell(

o

Con+questa+tipologia+di+progetto+l’unica+base+è+costituita+da+libreria+di+elementi+logici+di+base+quali+porte+logiche,+flip6

flop+il+cui+funzionamento+è+garantito+dalla+sillicon+foundry;+si+progetta+in+seguito+la+struttura+complessiva+definendo+i+

vari+moduli+e+le+rispettive+interconnessioni+così+da+determinare+la+funzione+logica+(sommatore,+registro,+…).+Una+volta+

stabilita+la+funzione+sono+assegnati+i+segnali+di+I/O+ed+eventuali+sequenze+di+progetto+gerarchiche+(moduli+semplici+e+

moduli+complessi).+

Questo+ flusso+ di+ progetto+ prevede+ solo+ alcuni+ passi+ in+ fase+ di+ progetto+ (le+ porte+ logiche+ di+ base+ sono+ già+ progettate+

dalla+silicon+foundry)+ma+tutti+i+passi+di+fabbricazione.+

VANTAGGI:+estrema+flessibilità+di+progetto+ed+elevato+grado+di+ottimizzazione.+

SVANTAGGI:+medio+tempo+di+sviluppo,+media+complessità+di+verifica+e+di+costi.+

Come+ per+ la+ metodica+ full+ custom,+ anche+ questo+ processo+ è+ da+ preferirsi+ se+ i+ grandi+ volumi+ coprono+ i+ costi+ di+

produzione+e+se+le+prestazioni+desiderate+si+possono+ottenere+attraverso+l’utilizzo+delle+librerie+a+disposizione.+

+ Gate(array(

o

In+questo+flusso+di+progetto+la+base+è+costituita+da+un+circuito+integrato+(anche+solo+parzialmente+lavorato)+sul+quale+il+

costruttore+ha+già+realizzato+o+predisposto+le+strutture+logiche+elementari,+matrici+di+interconnessioni+e+le+celle+di+I/O+

generiche.+Successivamente+sono+definite+le+funzioni+logiche+fissando+la+configurazione+dei+blocchi+logici+elementari+e+

configurando+le+connessioni+tra+i+blocchi+logici+e+si+assegnano+i+segnali+alle+celle+di+I/O.+

Questo+metodo+prevede+solo+alcuni+passi+di+progetto+ed+alcuni+passi+di+fabbricazione.+

VANTAGGI:+basso+tempo+di+sviluppo+e+ridotta+complessità+di+verifica+che+portano+a+bassi+costi.+

SVANTAGGI:+medio6bassa+flessibilità+nel+progetto,+medio+grado+di+ottimizzazione.+

A+differenza+delle+metodiche+precedenti+questa+scelta+permette+volumi+di+produzione+non+grandi+però+con+prestazioni+

non+elevate.+Nonostante+tutto+il+tempo+di+sviluppo+del+prototipo+è+notevole.++

+

+ Flusso(di(progetto(

!

Nel+flusso+di+progettazione+di+un+circuito+integrato+bisogna+seguire+alcuni+step.+

1. Definire+le+specifiche+tramite+una+descrizione+qualitativa+delle+funzioni+e+delle+prestazioni+richieste.+

2. Descrivere+ il+ progetto+ tramite+ un+ linguaggio+ software+ di+ alto+ livello+ (C+ o+ simili)+ che+ permetta+ simulazioni+

funzionali+e+permetta+di+definire+una+schema+a+blocchi.+Questo+passaggio+è+prevalentemente+funzionale,+non+

vincola+ la+ struttura+ e+ risponde+ alla+ domande+ “cosa+ fa?”.+ Questi+ passi+ sono+ indipendenti+ dalle+ metodiche+ di+

progetto+e+dalla+tecnologia+di+fabbricazione.++

3. Descrivere+il+progetto+mediante+il+linguaggio+di+descrizione+dell’hardware+(HDL):+in+questo+modo+si+permette+di+

specificare+la+struttura+di+ogni+blocco+tenendo+conto+di+come+lo+si+vuole+realizzare+dal+punto+di+vista+hardware,+

si+risponde+alla+domanda+“come+lo+fa?”+e+si+inizia+a+tener+conto+della+tecnologia+di+realizzazione.+Con+questo+

passo+è+possibile+effettuare+simulazioni+funzionali+dettagliate+così+da+avere+una+valutazione+preliminare+delle+

prestazioni.+

4. Sintesi+logica:+con+questo+passaggio+l’architettura+viene+tradotta+in+combinazioni+di+porte+logiche+ricavate+da+

una+library+(può+essere+una+base+con+vincoli+a+priori+per+standard+cell+o+libera+nel+caso+di+full+custom+o+gate+

array);+gli+strumenti+ CAD+consentono+di+pilotare+la+sintesi+per+ottenere+le+prestazioni+richieste,+ed+effettuare+

simulazioni+con+parametri+di+timing+(ritardi+degli+elementi+logici,+delle+interconnessioni)+approssimati.+

In+questa+fase+si+effettua+una+descrizione+formale+di+come+ottenere+la+funzione+desiderata.+

5. Physical+ design:+ in+ questa+ fase+ il+ progetto+ viene+ virtualmente+ realizzato+ sul+ silicio+ mediante+ la+ fase+ di+

placement,+in+cui+ad+ogni+porta+logica+è+riservata+una+zona+precisa+del+circuito+finale,+e+la+fase+di+routing+in+cui+

sono+realizzate+le+interconnessioni.+

Progettazione+di+Dispositivi+Biomedici+Programmabili+6+Appunti+ 31+

6. Simulazione+ post6layout+ con+ parametri+ reali:+ in+ questa+ fase+ si+ effettua+ una+ verifica+ del+ progetto+ fisico,+

l’estrazione+dei+parametri+(capacità+parassite);+successivamente+si+effettua+un+confronto+tra+le+specifiche+e+le+

prestazioni+del+dispositivo+reale.+

7. Realizzazione+su+silicio:+il+circuito+passa+alla+silicon+foundry+per+la+ralizzazione.+

8. Collaudo+su+wafer:+verifica+di+alcuni+parametri+elettrici+ed+il+collaudo+parziale+dei+singoli+circuiti.+

9. Incapsulamento:+i+circuiti+che+superano+i+test+sono+inseriti+nel+contenitore.+

10. Collaudo+del+componente+incapsulato:+sono+effettuati+test+parziali+su+tutti+i+componenti,+misurazioni+complete+

su+alcuni+campioni+per+ogni+lotto+ed,+infine,+eventuali+selezioni.+

+ Scelta(di(componenti(

o

Così+come+è+possibile+effettuare+una+scelta+sulla+modalità+di+progetto,+è+anche+possibile+scegliere+il+tipo+di+componenti+

da+utilizzare.+

Componenti+ ASIC+ impongono+ alti+ costi+ iniziali+ con+ tempi+ lunghi+ e+ attrezzature+ specifiche,+ bassi+ costi+ di+

• produzione+e+sono+adatti+alla+produzione+di+grandi+quantitativi.+

Componenti+discreti:+questa+tipologia+oggi+è+quasi+abbandonata.+

• Componenti+ programmabili+ hanno+ un+ basso+ costo+ di+ progetto,+ tempi+ brevi+ e+ componenti+ standard,+ un+

• maggiore+ costo+ unitario+ e+ sono+ adatti+ per+ piccole/medie+

produzioni+e+per+i+prototipi.+Questa+tipologia+di+componenti+è+

disponibile+ dagli+ anni+ ’80+ ed+ è+ composta+ da+ matrici+ di+ porte+

logiche+ generiche+ con+ collegamenti+ interni+ non+ definiti+ e+