39
1 ي ن ما ز ل ا ب ح صا ي ض ت ر م1 Routing Architectures

1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

1 مرتضي صاحب الزماني

1

Routing Architectures

Page 2: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

2 مرتضي صاحب الزماني

2

معيارها

• routablility.

سرعت: تعداد سوييچها در مسير.•

فضا.•

کاهش امکان پياده منابع اتصالي کم •سازي مدار مورد نظر

اتالف مساحت و منابع اتصالي زياد •کاهش بخش هاي منطقي.

Page 3: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

3 مرتضي صاحب الزماني

3

Page 4: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

4 مرتضي صاحب الزماني

4

مدل کلي

LC

Connection

Block

Switch

Block

LC

Connection

Block

Switch

Block

LC

Connection

Block

Switch

Block

LC

Connection

Block

Switch

Block

Page 5: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

5 مرتضي صاحب الزماني

5

اصطالحات

LE

LE

channel

channelch

anne

lch

anne

lSW

SW

• Wire Segment قطعه سيمي که به يک سوييچ برنامه پذير :منتهي شده است.

وصل wire segment يک يا چند سوييچ مي تواند به يک •شده باشد.

Page 6: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

6 مرتضي صاحب الزماني

6

اصطالحات

LE

LE

channel

channelch

anne

lch

anne

lSW

SW

• Track شيار(: دنباله اي از يک يا چند( wire segment در امتداد يک خط.

• Channel گروهي از :Track.هاي موازي

• Connection Box اتصال از : LCوروديها و خروجيهاي يک

هاي کانال.wire segmentبه

• Switch Box اتصال بين :wire segment هاي افقي و

عمودي.

channel

Page 7: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

7 مرتضي صاحب الزماني

7

Intermediate wiring channels

• A wire runs for L logic blocks:

LE LE LE LE

L=2

L=4

switchL=1

switch

switch

switch switch

switch

switch

Page 8: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

8 مرتضي صاحب الزماني

8

rouingمالحظات .wire segment (XC4000) چند نوع •

Page 9: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

9 مرتضي صاحب الزماني

9

rouingمالحظات

1 12 23 3 4 4

MPGA

1 12 23 3 4 4

آنتي فيوز برنامه ريزي نشده )اتصال آنتي فيوز برنامه ريزي شده )اتصال افقي قطع است(افقي وصل است(

آنتي فيوز برنامه ريزي شده )همه ي اتصالها وصلند(

افقيها به هم و عموديها به هم وصلند )مگرآنکه برنامه ريزي شود(

Fully Segmented Channel

Page 10: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

10 مرتضي صاحب الزماني

10

rouingمالحظات

1 12 23 3 4 4

MPGA

1 12 23 3 4 4

آنتي فيوز برنامه ريزي نشده )اتصال آنتي فيوز برنامه ريزي شده )اتصال افقي قطع است(افقي وصل است(

آنتي فيوز برنامه ريزي شده )همه ي اتصالها وصلند(

افقيها به هم و عموديها به هم وصلند )مگرآنکه برنامه ريزي شود(

Fully Segmented Channel

Page 11: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

11 مرتضي صاحب الزماني

11

Architecture of FPGA

• Logic elements

• Interconnects

• I/Os

Page 12: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

12 مرتضي صاحب الزماني

12

Styles of FPGA interconnect

• Local

• Intermediate

• Global:– clock– Set/reset

Page 13: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

13

I/O Blocks

مرتضي صاحب الزماني

13

Page 14: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

14

IO Blocks

• Provide access to the outside world

• Contain:– Buffers– Input registers– Output registers– MUXs– …

مرتضي صاحب الزماني

14

Page 15: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

15 مرتضي صاحب الزماني

15

Altera Cyclone IOE

Page 16: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

16

IO Blocks

• Today FPGAs support multiple standards– Standard: Electrical aspects (e.g. voltage

levels)– Each bank can be configured to

generate/accept signals of a particular standard FPGA can also be used to interface between

different standards

مرتضي صاحب الزماني

16

Page 17: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

17

I/O Block: Termination Resistors

• Fast signal edges signal bounces back when different impedance at I/O– Discontinuities in the signals– Must add external termination resistors at

pins Very hard with today small pitch size

مرتضي صاحب الزماني

17

Page 18: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

18

I/O Block: Termination Resistors

• Today FPGAs have internal configurable resistors to accommodate different board environments and I/O standards– DCI: Digitally-Controlled Impedance

• Simple rule of thumb:– For any signals with rise/fall times of < 500 ps,

use termination resistors

مرتضي صاحب الزماني

18

Page 19: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

19

Gigabit Transceiver

– Traditional communication of large amount of data b/w devices: Bus

– Large bus width (e.g. 64):• Needs lots of pins

• Needs lots of tracks to connect devices

• Very hard to route these tracks in complex boards

– Needs same length and impedance

• Hard to manage signal integrity

مرتضي صاحب الزماني

19

Page 20: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

20

Gigabit Transceiver

• Gigabit Transceiver:– In high-end FPGAs, gigabit transceiver

blocks use one pair of differential signals for very fast communication

– Each block may have a number of (e.g. 4) such transceivers.

مرتضي صاحب الزماني

20

Page 21: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

21 مرتضي صاحب الزماني

21

Page 22: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

22

FPGA as Interface Between Devices

• Gigabit Xceiver blocks can be configured to support several standards:– PCI Express

– InfiniBand

– … مرتضي صاحب الزماني

22

Page 23: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

23

Gigabit Transceiver

• Serial interface

• Point-to-point Each Xceiver can only talk to a single

Xceiver on another device– Unlike buses with some devices hanging off

Page 24: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

24

Gigabit Transceiver• Differential Pair:

– A pair of tracks carrying complementary logic levels

– Advantage: Less susceptible to noise (both affected equally)

Page 25: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

25

Inside Xceiver Block (TX)

Page 26: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

26

Inside Xceiver Block (RX)

Page 27: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

27

8b/10b Encoder

• In high data rate, circuit board and its track absorbs a lot of high frequency content of signal– Attenuated– Phase-shifted

Page 28: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

28

8b/10b Encoder

• Not serious problem in this case

Page 29: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

29

Consecutive Bits

• Inter-symbol Interference (ISI):• Pessimistic view:

– Receiver sees all ‘1’s!

• In reality: Must avoid sending 5 consecutive identical bits (‘1’s or ‘0’s)

• 8b/10b block: 8b data is augmented to 10b to guarantee that.

Page 30: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

30

FIFO Buffer

• Store data temporarily when too many words are arrived too closely together

Page 31: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

31

Polarity Flipper

• Flips ‘0’ to ‘1’ and vice versa if the receiving device expects data in flipped form

Page 32: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

32

Configurable Options

• Pre-emphasis (@ TX):– High-speed data rates cause signal

attenuation– Pre-emphasis: first ‘0’ in a string of ‘0’s

(first ‘1’ in a string of ‘1’s) are boosted with a slightly higher voltage

Page 33: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

33

Pre-Emphasis• The amount of pre-emphasis can be

configured for different circuit board environment:– E.g. 10%, 20%, 25%, and 33%

Page 34: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

34 مرتضي صاحب الزماني

34

Page 35: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

35

Pre-Emphasis

• The amount of pre-emphasis depends on– Position of FPGA in relation to other

components– High-speed standard being employed– Board characteristics

• Can be determined by simulation

Page 36: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

36

Equalization

• More loss for high-frequency signals than low-frequency signals

• Equalization (@RX):– Boosting higher frequency signals more than

lower ones– Can configure the amount of equalization– Can do pre-emphasis or equalization or both

for a signal

Page 37: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

37

Equalization

مرتضي صاحب الزماني

37

Page 38: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

38

Pre-Emphasis & Equalization

Page 39: 1 مرتضي صاحب الزماني 1 Routing Architectures. 2 مرتضي صاحب الزماني 2 معيارها routablility. سرعت : تعداد سوييچها در مسير

39

References

• Maxfield, Design Warrior’s Guide to FPGA, 2004.

• RocketIO™ Transceiver User Guide, Xilinx, Gigabit Transceiver-ug024.pdf

• Equalization for High-Speed Serial Interfaces in Xilinx 7 Series FPGA Transceivers, Xilinx, 2012.