Presentation in Dutch softcore vs hardcore processors

1. Microprocessoren
Vincent Claes
2006

2. Inleiding
 Wat is een microprocessor
 CPLD / FPGA
 Types Microprocessoren
 Voordelen/nadelen

3. Inleiding
 Wat is een microprocessor
 CPLD / FPGA
 Types Microprocessoren
 Voordelen/nadelen

4. Microprocessor (µP)
 Één enkele IC waar verschillende
nuttige functies in zitten
 De mogelijkheid om een opgeslagen set
instructies uit te voeren om zo taken die
de gebruiker aanmaakt uit te voeren
 De mogelijkheid om extern geheugen
IC’s aan te spreken om zo data te lezen
van en te schrijven naar deze geheugen
IC’s

5. Microcomputer
 Een computersysteem bestaat uit:
 Een computer
 Één of meer invoereenheden
 Één of meer uitvoereenheden

6. Invoereenheden - Uitvoereenheden
 Principiële opbouw van een computersysteem
Invoer
eenheid
Geheugen
ALU
Besturings-
eenheid
Uitvoer
eenheid
O
/
P
O
O
R
T
E
N
I
/
P
O
O
R
T
E
N
Input Computer Output
Toetsenbord
Temp. Opnemer
Scherm
Printer
Motor

7. Computer
 De computer zelf bestaat uit:
 CVE (centrale verwerkingseenheid)
 Rekenkundige en logische eenheid (ALU)
 Besturingseenheid (Control Unit)
 Geheugen
 I/O-poorten
 Microcomputer = computer waarvan
de CVE nog slechts één chip is.

8. Busstructuur bij een microcomputer
CVE
(MPU)
Geheugen
RAM & ROM
I/O
Poorten
Controlebus
Databus
D0 – D7
Adresbus 16 bit (A0 – A15)
P0 – P7

9. De Microprocessor
ALU
A
Adres Buffer
PC 16bit
S 8bit
IR
Controle
Databuffer
Besturing V
N
Z
C
Conditiecode of
status register
8bit databus
D0 – D7
Controle bus
Adresbus 16 bit
A0 – A15 Interne databus 8bit

10. De Microcontroller (µC)
CPU Memory I/O
BUS

11. Overzicht
 Wat is een microprocessor
 CPLD / FPGA
 Types Microprocessoren
 Voordelen/nadelen

12. Soorten programmeerbare logica
Belangrijkste:
PLDs
CPLDs
FPGAs

13. Programmable Logic Devices (PLDs)
 IC waarvan logische functie
geprogrammeerd wordt na fabricage
 Meestal zelfs herprogrammeerbaar
 PLD (PLA of PAL): two-level structuur
van AND en OR gates met user-
programmable connections
 CPLDs (Complex PLDs) en FPGAs
(Field Programmable Gate Arrays)
werden ontworpen om grotere
systemen mee op te zetten

14. PROM:
Programmable Read Only Memory
AND Array (vast)
OR Array (programmeerbaar)

15. PLDs – PAL:
Programmable Array Logic
AND Array (programmeerbaar)
OR Array (vast)

16. PLDs – FPLA:
Field Programmable Logic Array
AND Array (programmeerbaar)
OR Array (programmeerbaar)

17. PLDs
 Kleine chips
 Werking moet je kennen voor verder
te kunnen
 PLDs worden meestal
geprogrammeerd in
programmeertalen zoals ABEL of
PALASM (hardware equivalent van
assembler) ofwel door gebruik te
maken van een schematic capture
tool

18. CPLDs
 Complex Programmable Logic Devices
 Kan gezien worden als meerdere
PLDs (en een surplus aan
“programmable interconnect”) in 1
chip
 Meer logische vergelijkingen of een
gecompliceerder design
 Vele 7400-serie ICs vervangen door
1 CPLD!!!

19. CPLD – interne structuur
Logic
Block
Logic
Block
Logic
Block
Logic
Block
Switch
Matrix

20. CPLDs
 Architectuur
 Iedere logische blok is eigenlijk een PLD
 In een CPLD bevinden zich 4 of meer
logische blokken
 Deze logische blokken bestaan zelf uit
macrocellen en “interconnect wiring”
zoals een gewone PLD

21. FPGAs
 Field Programmable Gate Arrays
 Voor het implementeren van bijna
ieder hardware ontwerp
 Prototyping van ontwerpen voor
ASICs

22. FPGAs – interne structuur
Logic
Block
I/O
Block
Interconnection
resources

23. FPGAs
 Interne structuur
 CLB: Configurable Logic Block
 Programmable Interconnect
 I/O blocks

24. FPGAs
 Kleine en simpele macrocells zoals in
een PLD (fine-grained architecture)
 Grotere en meer complexe macrocells
(coarse-grained)

25. Programmatie CPLD / FPGA
 Programmeerbare logica
 IC’s waarvan de functie na de fysieke
productie door de klant kan worden
geconfigureerd
 VHDL of Verilog (LabVIEW FPGA ?)

26. Overzicht
 Wat is een microprocessor
 CPLD / FPGA
 Types Microprocessoren
 Voordelen/nadelen

27. Types Microprocessoren
 Discrete processoren
 Hard processor cores
 Soft Processor cores

28. Discrete Processor
 “Traditionele” manier van werken
 Meerdere fabrikanten (Atmel,
Microchip, ARM, Freescale…)
 Geïmplementeerd als een ASIC met
een specifieke “peripheral set” samen
met de processor core
 Juiste processor zoeken kost veel tijd
 Applicatie kost
 Functionele vereisten
 Custom Logic of “peripheral
functionality” nodig?

29. Discrete Processor - voorbeeld
 6502 (8-bit microprocessor)
 6809 (8-bit microprocessor)
 Z8000 (Zilog 16-bit microprocessor)
 8086 (Intel 16-bit microprocessor)
 68000 (Motorola 16-bit
microprocessor)

30. Hard processor cores
 Hard processor core in een FPGA of CPLD
 Zogenaamd “dedicated silicon” in deze
chip.
 Voordeel:
 de peripherals kunnen op maat gemaakt
worden voor de toepassing
 Nadeel:
 de core kan niet aangepast worden
 Men moet een specifieke FPGA kiezen met een
hard processor core in.
 De keuze van fabrikant en FPGA is gelimiteerd

31. Hard processor core - voorbeeld
 Altera EXCALIBUR (32-bit hardcore
CPU)
 Xilinx Virtex-II PRO (PowerPC 405D5
processor core – 32-bit hardcore
CPU)

32. Soft processor cores
 Is volledig geïmplementeerd in de logica van de FPGA
of CPLD (via VHDL / Verilog code)
 Ingezet bij een simpel systeem waar enkel de GPIO
(General Purpose Input/Output) moet gemanipuleerd
worden
 Past ook in een zeer complex systeem waar een
Operating System nodig en enkele interfaces nodig
zijn (Ethernet, PCI – Peripheral Component
Interconnect), custom IP (Intellectual Property),…)
 Nadeel:
 Heeft minder goede prestaties dan zijn hard processor core
tegenhanger of de discrete processor.
 Voordeel:
 Is veel flexibeler; alles is aanpasbaar
 Meerdere processoren langs elkaar in 1 chip

33. Soft processor core - voorbeeld
 Leon2 (32-bit softcore CPU - Gratis)
 Xilinx MicroBlaze (32-bit softcore
CPU)
 Xilinx PicoBlaze (8-bit softcore CPU)
 Altera NIOS (32-bit softcore CPU)
 OpenRISC 1200 (32-bit softcore CPU
- Gratis)

34. Overzicht
 Wat is een microprocessor
 CPLD / FPGA
 Types Microprocessoren
 Voordelen/nadelen

35. Samenvatting
Discrete
Processor
Soft
processor
core
Hard
processor
core
Oude manier van
werken
High-tech High-tech
Glue logic nodig Geen glue logic
nodig
Geen glue logic
nodig
Afhankelijk van
processor IC
Volledig digitaal
systeem kan
ontworpen en
aangepast worden in
1 IC ???
Afhankelijk van hard
processor core
Meerdere
microprocessoren in
1 chip
Snelheid Snelheid

36. Meer informatie
 http://www.opencores.org
 http://www.xilinx.com/products/desig
n_resources/proc_central/index.htm
 http://www.altera.com/products/ip/pr
ocessors/ipm-index.jsp
 http://www.actel.com/products/armin
fusion/
 The Design Warrior’s guide to FPGA
 ISBN: 0-7506-7604-3 (Elsevier)

37. --- Vragen ??? ---