Fachbereich HDLs und FPGAs

Der Fachbereich HDLs (Hardware Description Languages) und FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) beschäftigt sich mit dem Design komplexer logischer Schaltkreise am Computer mittels Hochsprachen zur Hardwarebeschreibung wie Verilog HDL oder VHDL.

Dabei liegt aus praktischen Ueberlegungen der Schwerpunkt auf FPGAs, aber auch Bereiche wie VLSI CMOS Design sollen nicht zu kurz kommen.

Interessenten

Termine

29.7.2006: Verilog HDL Workshop

Clifford wird einen Verilog HDL Workshop (aka Hardware Hacken ohne Loetkolben - Workshop) halten. Angestrebter Termin ist Sa., 29.7.2006., 16:00

7.3.2007: Vom Halbleiter zum Gatter

Clifford gibt eine kurze Einfuehrung in die unterste Ebene moderner CMOS Logikschaltungen. Es handelt sich hier um eine "zuruecklehnen und beriseln lassen" praesentation mit dem Ziel ein grundlegendes Verstaendnis fuer das Funktionieren digitaler CMOS schaltungen aufzubauen.

Grundlagen Halbleiterelektronik
nMOS und pMOS FE-Transistoren
Buffer, Inverter und Transfer-Gates
Grundlagen der Complimentaerlogik (CMOS)
Aufbau verschiedener Gatter aus MOS-FETs
Aufbau verschiedener Speicherschaltungen
Staendiges Problemkind Clock-Lines
Busse und Tristate-Buffer vs. Multiplexer
Grundlagen des CMOS Fertigungsprozesses
Grundlagen des CMOS Designs (Lambda-Constraints, Standardzellen-Layout)
Ueberblick ueber automatisiertes CMOS Schaltungslayout
Maskenbeispiele einfacher CMOS Schaltungen

Fuer das Verstaendnis der Praesentation wird vorausgesetzt:

Grundlegendes Verstaendnis von Logikgattern wie es auch fuers Programmieren notwendig ist (was bedeutet AND, OR, XOR und NOT).
Neugierde

Teilnehmerliste

NOCH KEIN TERMIN: Entwurfsmuster digitaler Schaltungen

Digitale Schaltungen bestehen im wesentlichen aus immer wiederkehrenden Grundmustern. Wenn man diese Grundmuster kennt ist die Herangehensweise fuer das Erstellen komplexer Logikschaltungen wie beispielsweise CPUs viel klarer. Diese Praesentation von Clifford handelt nacheinander die wichtigsten Entwurfsmuster ab und soll so eine idee davon vermitteln wie aus einzelnen Gattern komplexe Funktionen implementiert werden koennen.

Ueberblick ueber die Logischen Gatter
Ueberblick ueber andere Grundelemente (FlipFlops, Latches, Multiplexer)
Ripple-Carry-Adder als Beispiel fuer zusammengesetzte Logikelemente
Aus dem Addierwerk wird ein Zaehlwerk
Finite-State-Machines und Steuerwerke
Lookup-Tables und Decoder
Richtiges Pipelining
Gatter vs. Transistor
Designflow, Y-Diagram

Fuer das Verstaendnis der Praesentation wird vorausgesetzt:

Grundlegendes Verstaendnis von Logikgattern wie es auch fuers Programmieren notwendig ist (was bedeutet AND, OR, XOR und NOT).
Neugierde

Terminvorschlaege und Kommentare bitte nach dieser Zeile einfuegen

Software

Kurze pointer zu (freier und nicht ganz so freier) Software im EDA bereich. Bitte nur Software hier eintragen die man auch wirklich empfehlen kann. Es gibt eine ganze menge OSS projekte die von sich behaupten gute EDA/CAD programme zu sein. Die Schwierigkeit liegt hierbei darin die wirklich brauchbaren zu finden.

Icarus Verilog

Netter Verilog HDL simulator. Kann auch synthese nach EDIF 2.0 netzlisten mit LPM library, wenn man sich aber die netzlisten mal ansieht kommt man drauf das man dieses feature nicht ganz so ernst nehmen kann.

Einige der neueren Verilog HDL features (z.bsp. generatoren) werden kaum oder granicht unterstuetzt. Dennoch ist Icarus Verilog der beste (i.e. einzige brauchbare) freie Verilog HDL simulator den ich kenne.

http://www.icarus.com/eda/verilog/

GTKWave

Waveform-Viewer fuer VCD (Value Change Dump, beliebtes Dateiformat fuer die Ausgabe von Verilog Simulationen) und ein paar andere Formate. Fehlersuche in komplexeren HDL Designs ist fast unmoeglich ohne halbwegs brauchbaren Waveform-Viewer. GTKWave ist da ein recht brauchbarer Vertreter dieser Gruppe von Programmen.

http://home.nc.rr.com/gtkwave/

Qucs

Qucs (Quite Universal Circuit Simulator) ist ein sehr vielseitiger circuit simulator (digital wie analog) mit einer GUI um Schaltplaene zu zeichnen. Die Autoren bezeichnen das Projekt als noch in einem sehr fruehen Stadium befindlich. Um so beeindruckender ist was alles bereits geht. Besonders nett ist die Moeglichkeit Diagramme mit den Ergebnisen unterschiedlicher Simulationsdurchlaeufe in die Schematics einzubinden und mit einem einfachen click auf den 'Simulate' Button upzudaten.

Leider bietet Qucs auf der Digital-HDL Seite bis jetzt nur Support fuer VHDL. Die Dateiformate von Qucs scheinen recht einfach zu parsende XML-aehnliche Dateien zu seien - es sollte also recht einfach moeglich sein daraus z.Bsp. Verilog Netzlisten zu erstellen.

http://qucs.sourceforge.net/

TKGate

TKGate ist ein digital circuit simulator mit einer GUI in der man Schaltplaene zeichnen kann. Das nette: TKGate benutzt als dateiformat Verilog Netzlisten (bzw. ein subset davon) und legt angaben zum layout im GUI in kommentaren ab. Damit ist es moeglich module in TKGate zu designen (und mit dem eingebauten simulator ein wenig zu testen) und dann in groesseren Verilog projekten zu verwenden.

TKGate hat ein sehr gutes Tutorial in dem die wichtigsten Features erklaert werden das beim Starten automatisch geladen wird (bis man das in den optionen ausschaltet).

http://sourceforge.net/projects/tkgate

Electric

Electric ist ein GNU CAD programm fuer CMOS ASIC design (in Java). Bis jetzt ist es das beste Programm das ich kenne um CMOS Masken zu zeichnen und hat eigentlich alles was man sich fuer die aufgabe erwartet (inklusive direkte anbindung an SPICE fuer die simulation der elektrischen eigenschaften der Schaltungen).

Leider finde ich die Bedienung sehr unhantlich (ich hab ne halbe stunde gebraucht um um ein einfaches CMOS NOT Gatter aus zwei Transistoren (mit zugehoeriger N-Wanne, etc) zu designen. Wie gut die constraint checking features von Electric sind kann ich derzeit noch nicht sagen..

http://www.gnu.org/software/electric/

SPICE

Urspruenglich ein Berkeley programm, inzwischen so oft geforked und erweitert das man eigentlich nicht mehr von "dem" SPICE reden kann sondern dazusagen muss welches man meint.

SPICE ist ein Tool zur simulation von elektronischen Schaltungen (also nicht '1' und '0' sondern spannungen und ladungen an MOS-FET Gates, etc) das speziell fuer die Simulation von integrierten Schaltkreisen optimiert ist. Moderne MOSFET transistoren zeigen aufgrund der Fertigungsgroessen an der grenze des technisch machbaren nicht gerade ein verhalten das man von einem "einfachen schalter" (als der sie ja oft bezeichnet werden) erwartet. Ohne ein Programm wie SPICE ist es de-facto unmoeglich CMOS schaltungen fuer die aktuellen fertigungsprozesse zu entwerfen.

Links zu den wichtigsten SPICE implementierungen gibt es auf Wikipedia:
http://en.wikipedia.org/wiki/SPICE

Xilinx ISE WebPACK

Von Xilinx gibt es mit dem WebPACK eine gratis-version ihrer Entwicklungsumgebung fuer Windows und Linux. Die installation unter Linux hat es ein wenig in sich wenn man nicht gerade RedHat in der richtigen Version verwendet und die GUI-Teile sind unter Windows wirklich schoener gemacht, ansonsten ist das teil recht brauchbar solange man sich auf FPGAs beschraenkt, da das ja das zielpublikum von Xilinx ist. Da man Transitoren und Transfer-Gates hier weder zeichnen noch simulieren kann ist das WebPACK auch fuer das rein theoretische rumbasteln mit CMOS Designs ungeeignet.

http://www.xilinx.com/ise/logic_design_prod/webpack.htm

Buecher

Wenn Clifford sie nicht gerade bei sich daheim hat liegen die im Lab in der Bibliothek.

CMOS VLSI Design von Neil H.E. Weste

Besser bekannt als "Der Weste". Sowas wie die Bibel fuer CMOS Design. Behandelt alle wichtigen Standardschaltungen moderner CMOS designs, faengt bei jedem thema einsteigergerecht an und geht dann immer mehr erschreckend genau in die details, enthaelt unter anderem Hintergrundinformationen ueber CMOS fertigungstechniken, genaue beschreibungen zur Simulation der elektrischen eigenschaften von MOS-FETs, einfuehrung in VHDL und Verilog HDL, Schaltungslayout, Simulation und Test sowie Designflow und Entwurfsmethoden. Kaum eine Frage zu CMOS Design die der Weste offen laesst.

Zusatzmaterial: http://www.aw-bc.com/weste/

Verilog HDL von Samir Palnitkar

Eine recht schoene und vollstaendige beschreibung von Verilog HDL. Einfach zu lesen und praktisch zum Nachschlagen.

Grundlagen der CMOS-Technologie von Thomas Giebel

Geht in den elektrischen Details (Formeln, etc.) weiter als Weste und gibt hier einen recht guten Ueberblick.

Layoutsynthese elektronischer Schaltungen von Jens Lienig

Eine recht vollstaendige Abhandlung ueber die gaengigsten Algorithmen zur Entwurfsautomatisierung. Eigentlich nur interessant fuer Leute die wirklich CMOS Design machen oder FPGA Place&Route Tools selbst entwickeln wollen. Um die Beispiele aus dem CMOS Bereich zu verstehen empfiehlt es sich zumindest das Einfuehrungskapitel vom Weste zu lesen.

Vortragsfolien: http://www.ifte.de/lienig/layout/index.html

Prozessorbau von Christian Siemers

Eine schoener Ueberblick ueber die fuer den Prozessorbau wesentlichen Entwurfsmuster und daher auch fuer Leute interessant die andere komplexe Schaltungen entwerfen wollen. Das Buch bewegt sich vollstaendig ueberhalb der Gatterebene und laesst Fragen zur optimalen Implementierung gewisser Teilschaltungen auf Transistorebene offen.

Digitaltechnik von Klaus Fricke

Eine Uebersicht ueber diverse Entwurfsmuster aus der Digitaltechnik auf der Gatterebene. Viele Beispiele sind aus der TTL-Welt entlehnt, was dem Buch meiner Meinung nach einen gewissen zusaetzlichen Charme verleiht. Ist aber im allgemeinen eher was zum stoebern als zum produktiv lernen.

Taschenbuch Digitaltechnik von Christian Siemers und Axel Sikora

Ein Nachschlagewerk zu einem Breiten Themenspektrum rund um die Digitaltechnik. Hier werden auch auf nicht-CMOS technologien wie TTL, nMOS, Pass-Transistor-Logik und andere naeher eingegangen. Brauchbare mathematische Modelle zur Simulation von Transistoren und aehnliches sucht man hier aber vergebens.

HDL Hackers

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