Este trabalho objetiva o estudo da avaliação de desempenho de partes de controle de circuitos integrados, em relação ao consumo de área em silício e atraso de propagação de sinais. Para a implementação são adotados dois diferentes estilos de leiaute (PLA e gate matrix). Para ambos os casos foi utilizado um conjunto único de regras de projeto. A análise dos circuitos visando implementação com PLA 6 é feita com base em estimativas de área e atraso deste, sendo definidas as suas células básicas. Para gate matrix, é feita a síntese de leiaute com um gerador automático de leiaute para circuitos em lógica aleatória e o atraso é estimado por modelo simplificado. A avaliação elétrica para calcular o atraso dos sinais é baseada em modelos simplificados de timing, previamente estudados, que levam em conta elementos parasitas das redes de transistores. São analisadas partes de controle de sistemas reais e máquinas de estados finitos hipotéticas. O trabalho visa propor a melhor estratégia de implementação, através da previsão do desempenho dos circuitos, em função do tamanho e complexidade (em número de portas e sinais de interface) do circuito. / The subject of this work is the performance analysis of control parts of integrated circuits, as a function of silicon area and signals propagation delay. Two different layout styles are used for implementation (PLA and gate matrix). Both of them use the same design rules. The analysis of the circuits implemented with PLA is based on area and delay estimation, with the basic cells already defined. For gate matrix, the layout synthesis is made with an automatic layout generator for random logic circuits and the delay is estimated by simplified models. The electrical evaluation to compute the delay signal is based on simplified timing models, previously studied, taking into account parasitic elements of the transistor networks. Control parts of real systems and finite state machines are analysed. This work aims to select the best implementation strategy, based on performance estimation, as a function of the size and complexity (gates and interface signals) of the circuit.

Este trabalho apresenta um sistema de Síntese de Alto Nível — geração automática de uma descrição estrutural no nível RT a partir de uma descrição comportamental algorítmica [MCF 88] —, abordando as tarefas de compilação para representação interna, transformações comportamentais, escalonamento, alocação, mapeamento e gera.são do controle. Sua principal contribuição esta na fase de transformações comportamentais, através da qual é possível explorar globalmente o paralelismo existente na descried° do sistema digital e, de maneira sistemática, pesquisar o espaço de projeto, ou seja, as possíveis implementações para o sistema digital, identificando a que melhor satisfaz as restrições especificadas pelo projetista. A Linguagem de Descried° de Hardware (HDL) usada no sistema de síntese é VHDL que oferece recursos para se descrever comportamento e estrutura, e se especificar restrições de projeto, alem de ter sido adotada como padrão pela IEEE. Parte-se da descried° algorítmica em VHDL comportamental do sistema digital. Tal descrição é compilada para uma representação interna baseada em grafos: cada bloco básico — seqüência de operações sem desvio — e representado por um Grafo de Fluxo de Dados (GFD); a transferência de controle entre blocos básicos — desvios condicionais e incondicionais — é representada pelo Grafo de Fluxo de Controle (GFC); e as relações de hierarquia — entidade, arquitetura, processos, subprogramas — são representadas pelo Grafo de Entidade (GE). O sistema de transformações é tal que a escolha e a ordem da aplicação das transformações possíveis (agrupa blocos consecutivos, agrupa ramos de if, desenrola laços) sobre um GFC gera uma Arvore — a Arvore de Transformações — cujos nodos folha representam os GFD's iniciais e os nodos internos os GFD's obtidos pela transformação aplicada sobre os seus nodos filhos. Construída a Arvore de Transformações, realiza-se um caminhamento em pós-ordem, determinando-se a melhor implementação possível para cada nodo da Arvore de Transformações. Por melhor implementação entenda-se a que, no mínimo, satisfaça as restrições de tempo ou de recursos especificadas pelo projetista. Para cada implementação, obtida usando-se algoritmos de escalonamento, alocação e mapeamento existentes, calcula-se um custo em fungi° dos recursos — unidades funcionais, registradores, interconexões — e do tempo — passos de controle — necessários implementação. Feito isso, caminha-se em pré-ordem pela árvore de Transformações comparando-se o custo da implementação do nodo pai com os custos de implementação dos seus nodos filhos: se o custo dos nodos filhos a maior que o do nodo pai, este é selecionado e seus nodos filhos não são visitados; caso contrario, a transformações que o gerou é descartada e visita-se os nodos filhos. Os nodos selecionados fardo parte da implementação final. O modelo de hardware utilizado adota a divisão clássica de sistema digital em Parte Operativa e Parte de Controle, como apresentada em [DAV 83]. Na implementação do prot6tipo do sistema de síntese escolheu-se, para o escalonamento e a alocação, o algoritmo Force-directed que possui complexidade linear — 0(n2 ) no pior caso — e tem mostrado bons resultados em comparação com os demais existentes [PAU 89]. Para o mapeamento de registradores adotou-se o algoritmo do programa REAL [KUR 87] também de complexidade linear; o mapeamento de unidades funcionais e interconexões baseia-se em [PAN 87]. 0 controlador a obtido diretamente do GFC final: cada nodo representa um estado e as arestas representam as transições entre estados. 0 protótipo foi aplicado a vários exemplos, relatados na literatura, mostrando resultados comparáveis. Aplicando-se o protótipo sobre exemplos com fluxo de controle mais complexo, verifica-se a eficiência do sistema de transformações na exploração do espaço de projeto. / High Level Synthesis is the automatic generation of a structural description of a circuit at the RT level from a behavioral description at the algorithm level [MCF 88]. In this work, a High Level Synthesis System which deals with the tasks of compilation to internal representation, behavioral transformations, scheduling, allocation, mapping and control generation is presented. Its main contribution is the behavioral transformation process. It makes possible the exploration of the global parallelism in the behavioral description and, systematically, to search the design space in order to find the structure that best fits the resource and timing constraints specified by the designer. The Hardware Description Language (HDL) used in the synthesis system is VHDL, HDL standardized by IEEE, which offers facilities for the behavior description, structure description and for the specification of design constraints. The input to the synthesis system is a behavioral algorithmic VHDL description of the digital system under design. This description is translated to an internal representation based on graphs: each basic block (sequence of operations without branches) is represented by a Data Flow Graph (DFG); the transfer of control between basic blocks (conditional and inconditional branches) is represented by a Control Flow Graph (CFG); the hierarchy of description (entity, architectural body, processes, subprograms) is represented by the Entity Graph (EG). The set of behavioral transformations is such that the selection and sequence of applicable transformations (Merge Consecutive Blocks, Merge If Branches, Unroll Loops, etc.) to a CFG can be represented by a tree, called Transformations Tree. In the Transformations Tree, the leaf nodes represent the initial DFGs and the internal nodes represent the DFGs obtained by the transformations applied on its son nodes. After the Transformation Tree has been generated, a transversal post-order is used to determine the best possible implementation for each node of the Transformations Tree. The best possible implementation is the one that, at least, satisfy the timing and resources constraints specified by the designer. A cost is determined in terms of the timing (control steps) and resources (functional units, registers, interconections, etc.) required by each implementation, which is produced using traditional algorithms for scheduling and allocation. Once the implementation for each node is done, a transversal pre-order is used to compare the implementation cost of a node, with the implementation costs of its son nodes: if the cost of its son nodes is greater, the father node is selected and its son nodes are not visited; otherwise the transformation that produced the father node is discarded, and the son nodes are visited. The selected nodes will be in the final implementation. The hardware model used in the synthesis system adopts the classical division of the digital system in a Data-Path and a Controller, such as presented in [DAV 83]. In the implementation of the synthesis system prototype, the Force-Directed algorithm [PAU 89] was adopted for scheduling and allocation, which has linear complexity — in the worst case 0(n2 ) — and produces good results when compared with other algorithms [PAU 91]. The algorithm of the REAL program [KUR 87] was used for the mapping of registers, which also has linear complexity. The mapping of functional units and interconections uses the ideas from [PAN 87]. The controller is directly obtained from the final GFC: each node represents a state and the transitions between states are represented by the edges. The prototype of the synthesis system, which is implemented in C, on SUN workstations, was applied to various examples of the literature and has showed comparable results. When applied to examples with more complex control flow, the efficiency of the set of behavioral transformations in the design space exploration can be verified.

Este trabalho propõe e avalia uma nova abordagem para projeto de circuitos dedicados utilizando matrizes pré-difundidas. A principal vantagem desta abordagem, denominada Marcela, reside na decomposição lógica do circuito a ser implementado em termos de primitivas disponíveis na matriz escolhida. Aplicando-se tal procedimento, alcança-se grande flexibilidade em termos de posicionamento e roteamento, levando a uma melhor taxa de ocupação. Primeiramente, é feito um levantamento das abordagens para pré-difundidos correntemente encontradas e uma taxonomia baseada nas características mais relevantes é definida. As principais características da metodologia TRANCA são também mostradas. Leiautes gerados com os módulos TRAMO e TRAGO são analisados e algumas modificações na metodologia são sugeridas, visando uma exploração mais eficiente dos dois níveis de metal. As bases para o desenvolvimento da abordagem Marcela são então descritas. A abordagem consiste de uma nova arquitetura para pré-difundidos e uma estratégia específica de ocupação. As principais características da matriz de propósito geral Marcela, primeira a ser definida, são a ausência de canais de roteamento, com as conexões sendo realizadas sobre as células, e a utilização de quatro tipos de células básicas, cada uma dedicada à implementação de uma função lógica primitiva. As células básicas estão organizadas em unidades básicas, as quais são repetidas regularmente para formar a matriz, numa abordagem denominada mar de células. O problema do assinalamento de células e suas particularidades são solucionados utilizando-se uma combinação entre alocação sequencial e técnicas de particionamento. Primeiro, é alocada a mínima superfície da matriz capaz de comportar o circuito em questão, numa fase chamada pré-assinalamento. Na fase de otimização, partições são geradas respeitando a integridade das unidades básicas e trocas de células são realizadas entre os blocos de cada nova partição, em dois passos: trocas individuais, enquanto o bloco de destino não estiver cheio, e trocas de pares. Para o roteamento, foi desenvolvida no CPGCC/UFRGS uma ferramenta específica para ser utilizada em leiautes gerados segundo a metodologia TRANCA. Esta ferramenta, denominada MARTE [JOH 92a][JOH 92b], emprega o algoritmo de Lee básico com algumas modificações, tal como a geração de doglegs para trocas entre trilhas adjacentes. Com a finalidade de validar a abordagem, foram implementados alguns circuitos utilizando a abordagem Marcela e uma abordagem sea-of-gates tradicional. Para circuitos pequenos, tal como um flip-flop D, Marcela produziu uma melhor distribuição de conexões, a qual resulta em aumento da transparência. Porém, a taxa de ocupação encontrada foi menor do que a do circuito projetado com sea-of-gates. Por outro lado, para circuitos de complexidade maior, a área ocupada pode resultar bem menor do que no caso de se usar sea-of-gates, desde que sejam realizadas transformações lógicas apropriadas sobre a descrição equivalente Marcela ou uma matriz conveniente seja escolhida. Exemplos de leiautes desenvolvidos mostram que taxas de ocupação tão altas quanto 75% são atingidas. Finalmente, da observação de circuitos gerados automaticamente, foram tiradas conclusões sobre modificações na arquitetura da matriz e nos algoritmos, de forma a melhorar as taxas de ocupação para qualquer tipo de circuito. / This work proposes and evaluates a new approach for the design of ASICs using prediffused masterslices. The main advantage of this approach, called Marcela, relles on logic decomposition of the circuit to be implemented into the chosen masterslice available primitives. By applying this procedure, a great placement and routing flexibility is achieved, thus leading to a better transistor utilization rate. First, a survey on current prediffused approaches is done and an specific taxonomy is defined based on the main important features encountered. Also the main features of TRANCA methodology are shown. Layouts generated using TRAGO and TRAMO modules are analyzed and some modifications in the methodology are suggested, in order to better exploit both first and second metal layers. Marcela approach development basis are described. The approach consists of a new prediffused architecture and an specific occupation strategy. The main architectural features of the general purpose Marcela masterslice are the absence of routing channels, with the connections running over the cells, and the utilization of four types of basic cells, each of them dedicated to perform one primitive logic function. Basic cells are organized into basic units, which are spread a11 over the masterslice, in a so called sea-of-cells approach. The assignment problem and its peculiarities are solved by using a combination of sequential cell allocation and quadrature partition techniques. But first of all, a minimum masterslice area is allocated in a phase called preassignment. In the optimization phase, partitions are generated respecting basic units integrity and cell interchanges are applied to each new partition, following two steps: individual changes, while the target block is not, full. and pairwise interchange. For the routing problem, an specific tool has been developed at CPGCC/UFRGS for any module generator in which TRANCA methodology is applied. This tool, called MARTE [JOH 92a][JOH 92b], employs a basic Lee algorithm with some modifications as dogleg generation for changes between adjacent tracks. In order to validate the approach, some circuits have been implemented using a traditional sea-of-gates and Marcela approaches. For small circuits, as a D flip-flop, Marcela approach has produced a better wiring distribution, which results in increase of transparency. But the occupation rate was found to be smaller than that of the sea-of-gates approach. On the other hand, for more complex circuits the amount of used area can be smaller than that of sea-of-gates case, since appropriate logic transformations are applied to the Marcela logic equivalent or a well suit masterslice is used. Implemented examples show that utilization rates as high as 0.75 are achieved. Finally, from the observation of automatically generated layouts some modifications in masterslice architecture and in the algorithms are figured out.

The mixed-signal and analog design on a pre-diffused array is a challenging task, given that the digital array is a linear matrix arrangement of minimum-length transistors. To surmount this drawback a specific discipline for designing analog circuits over such array is required. An important novel technique proposed is the use of TAT (Trapezoidal Associations of Transistors) composite transistors on the semi-custom Sea-Of-Transistors (SOT) array. The analysis and advantages of TAT arrangement are extensively analyzed and demonstrated, with simulation and measurement comparisons to equivalent single transistors. Basic analog cells were also designed as well in full-custom and TAT versions in 1.0mm and 0.5mm digital CMOS technologies. Most of the circuits were prototyped in full-custom and TAT-based on pre-diffused SOT arrays. An innovative demonstration of the TAT technique is shown with the design and implementation of a mixed-signal analog system, i. e., a fully differential 2nd order Sigma-Delta Analog-to-Digital (A/D) modulator, fabricated in both full-custom and SOT array methodologies in 0.5mm CMOS technology from MOSIS foundry. Three test-chips were designed and fabricated in 0.5mm. Two of them are IC chips containing the full-custom and SOT array versions of a 2nd-Order Sigma-Delta A/D modulator. The third IC contains a transistors-structure (TAT and single) and analog cells placed side-by-side, block components (Comparator and Folded-cascode OTA) of the Sigma-Delta modulator.

A compressão de vídeo é um tema extremamente relevante no cenário atual, principalmente devido ao crescimento significativo da utilização de vídeos digitais. Sem a compressão, é praticamente impossível enviar ou armazenar vídeos digitais devido à sua grande quantidade de informações, inviabilizando aplicações como televisão digital de alta definição, vídeo conferência, vídeo chamada para celulares etc. O problema vem se tornando maior com o crescimento de aplicações de vídeos de alta definição, onde a quantidade de informação é consideravelmente maior. Diversos padrões de compressão de vídeo foram desenvolvidos nos últimos anos, todos eles podem gerar grandes taxas de compressão. Os padrões de compressão de vídeo atuais obtêm a maior parte dos seus ganhos de compressão explorando a redundância temporal, através da estimação de movimento. No entanto, os algoritmos de estimação de movimento utilizados atualmente não consideram as variações nas características dos vídeos de alta definição. Neste trabalho uma avaliação da estimação de movimento em vídeos de alta definição é apresentada, demonstrando que algoritmos rápidos conhecidos, e largamente utilizados pela comunidade científica, não apresentam os mesmos resultados de qualidade com o aumento da resolução dos vídeos. Isto demonstra a importância do desenvolvimento de novos algoritmos focados em vídeos de altíssima definição, superiores à HD 1080p. Esta tese apresenta o desenvolvimento de novos algoritmos rápidos de estimação de movimento, focados na codificação de vídeos de alta definição. Os algoritmos desenvolvidos nesta tese apresentam características que os tornam menos suscetíveis à escolha de mínimos locais, resultando em ganhos significativos de qualidade em relação aos algoritmos rápidos convencionais, quando aplicados a vídeos de alta definição. Além disso, este trabalho também visa o desenvolvimento de arquiteturas de hardware dedicadas para estes novos algoritmos, igualmente dedicadas a vídeos de alta definição. O desenvolvimento arquitetural é extremamente relevante, principalmente para aplicações de tempo real a 30 quadros por segundo, e também para a utilização em dispositivos móveis, onde requisitos de desempenho e potência são críticos. Todos os algoritmos desenvolvidos foram avaliados para um conjunto de 10 sequências de teste HD 1080p, e seus resultados de qualidade e custo computacional foram avaliados e comparados com algoritmos conhecidos da literatura. As arquiteturas de hardware dedicadas, desenvolvidas para os novos algoritmos, foram descritas em VHDL e sintetizadas para FPGAs e ASIC, em standard cells nas tecnologias 0,18μm e 90nm. Os algoritmos desenvolvidos apresentam ganhos de qualidade para vídeos de alta definição em relação a algoritmos rápidos convencionais, e as arquiteturas desenvolvidas possuem altas taxas de processamento com baixo consumo de recursos de hardware e de potência. / Video compression is an extremely relevant theme in today’s scenario, mainly due to the significant growth in digital video applications. Without compression, it is almost impossible to send or store digital videos, due to the large amount of data that they require, making applications such as high definition digital television, video conferences, mobiles video calls, and others unviable. This demand is increasing since there is a strong growth in high definition video applications, where the amount of information is considerably larger. Many video coding standards were developed in the last few years, all of them can achieve excellent compression rates. A significant part of the compression gains in the current video coding standards are obtained through the exploration of the temporal redundancies by means of the motion estimation process. However, the current motion estimation algorithms do not consider the inherent variations that appear in high and ultra-high definition videos. In this work an evaluation of the motion estimation in high definition videos is presented. This evaluation shows that some well know fast algorithms, that are widely used by the scientific community, do not keep the same quality results when applied to high resolution videos. It demonstrates the relevance of new fast algorithms that are focused on high definition videos. This thesis presents the development of new fast motion estimation algorithms focused in high definition video encoding. The algorithms developed in this thesis show some characteristics that make them more resilient to avoid local minima, when applied to high definition videos. Moreover, this work also aims at the development of dedicated hardware architectures for these new algorithms, focused on high definition videos. The architectural development is extremely relevant, mainly for real time applications at 30 frames per second, and also for mobile applications, where performance and power are critical issues. All developed algorithms were assessed using 10 HD 1080p test video sequences, and the results for quality and computational cost were evaluated and compared against known algorithms from the literature. The dedicated hardware architectures, developed for the new algorithms, were described in VHDL and synthesized for FPGA and ASIC. The ASIC implementation used 0.18μm and 90nm CMOS standard cells technology. The developed algorithms present quality gains in comparison to regular fast algorithms for high definition videos, and the developed architectures presents high processing rate with low hardware resources cost and power consumption.

Este trabalho trata da aplicação de técnicas de minimização de consumo de potência para blocos digitais para o algoritmo de SAD e o decodificador H.264/AVC Intra-Only. Na descrição de hardware são acrescidas as técnicas de paralelismo e pipeline. Na síntese física e lógica, incluem-se as técnicas de inativação do relógio ( clock gating), múltiplas tensões de threshold, diferentes tecnologias e diferentes tensões de alimentação. A síntese é feita nas ferramentas da CadenceTM com exploração arquitetural e apresenta uma menor energia por operação, quando exigido desempenho equivalente (isoperformance ) para SAD, em baixa frequência, alto paralelismo e, principalmente, com um estágio de pipeline. Além disso, tecnologias CMOS mais avançadas diminuem o consumo de potência dinâmica e, em alguns casos, também diminuem a potência estática por gate equivalente, se utilizadas células High-VT e tensão de alimentação a menor possível. Outro fator a ser destacado é o uso do clock gating que no caso das arquiteturas de SAD, em vez de diminuir, aumenta o consumo de potência dinâmica. Neste trabalho foi realizada a síntese do decodificador Intra-Only. O decodificador com clock gating apresenta um menor consumo de potência, mostrando um caso em que esta técnica é benéfica. Além disso, a utilização de uma tecnologia CMOS 65 nm e, consequentemente, tensão de alimentação menor, levou a uma sensível diminuição no consumo de potência em relação a outros trabalhos similares. / This work presents low-power techniques applications to digital blocks in the SAD algorithm and in the Intra-Only H.264/AVC decoder. In the hardware description, we add parallelism and pipeline techniques. In the logical and physical synthesis exploration, includes the clock gating, multiple threshold voltage, different technologies and multiple supply voltage. The synthesis are done in the CadenceTM tools and show a smaller energy per operation in isoperformance for SAD at low frequency, high parallelism and, mainly, with one pipeline stage. In addition to that, more advanced CMOS technologies decrease the dynamic power consumption and, also, decrease the static power for equivalent gates, if using High-VT cells and lowest possible power supply. Another factor is the clock gating use that in the SAD architecture, instead of decreasing, increases the dynamic power consumption. In this work the design of an Intra-Only H.264/AVC Decoder was performed. This design with clock gating presents lower power consumption, showing a case in which this technique is beneficial in terms of dynamic power. Besides that, the 65 nm CMOS technology uses a lower power supply, resulting in lower power consumption in comparison to other related works.

A compressão de vídeo é essencial para aplicações que manipulam vídeos digitais, em função da enorme quantidade de informação necessária para representar um vídeo sem nenhum tipo de compressão. Esta tese apresenta o desenvolvimento de soluções arquiteturais dedicadas e de alto desempenho para a compressão de vídeos, com foco no padrão H.264/AVC. O padrão H.264/AVC é o mais novo padrão de compressão de vídeo da ITU-T e da ISO e atinge as mais elevadas taxas de compressão dentre todos os padrões de codificação de vídeo existentes. Este padrão também possui a maior complexidade computacional dentre os padrões atuais. Esta tese apresenta soluções arquiteturais para os módulos da estimação de movimento, da compensação de movimento, das transformadas diretas e inversas e da quantização direta e inversa. Inicialmente, são apresentados alguns conceitos básicos de compressão de vídeo e uma introdução ao padrão H.264/AVC, para embasar as explicações das soluções arquiteturais desenvolvidas. Então, as arquiteturas desenvolvidas para os módulos das transformadas diretas e inversas, da quantização direta e inversa, da estimação de movimento e da compensação de movimento são apresentadas. Todas as arquiteturas desenvolvidas foram descritas em VHDL e foram mapeadas para FPGAs Virtex-II Pro da Xilinx. Alguns dos módulos foram, também, sintetizados para standard-cells. Os resultados obtidos através da síntese destas arquiteturas são apresentados e discutidos. Para todos os casos, os resultados de síntese indicaram que as arquiteturas desenvolvidas estão aptas para atender as demandas de codecs H.264/AVC direcionados para vídeos de alta resolução. / Video coding is essential for applications based in digital videos, given the enormous amount of bits which are required to represent a video sequence without compression. This thesis presents the design of dedicated and high performance architectures for video compression, focusing in the H.264/AVC standard. The H.264/AVC standard is the latest ITU-T and ISO standard for video compression and it reaches the highest compression rates amongst all the current video coding standards. This standard has also the highest computational complexity among all of them. This thesis presents architectural solutions for the modules of motion estimation, motion compensation, forward and inverse transforms and forward and inverse quantization. Some concepts of video compression and an introduction to the H.264/AVC standard are presented and they serve as basis for the architectural developments. Then, the designed architectures for forward and inverse transforms, forward and inverse quantization, motion estimation and motion compensation are presented. All designed architectures were described in VHDL and they were mapped to Xilinx Virtex-II Pro FPGAs. Some modules were also synthesized into standard-cells. The synthesis results are presented and discussed. For all cases, the synthesis results indicated that the architectures developed in this work are able to meet the demands of H.264/AVC codecs targeting high resolution videos.

Tanto nos circuitos integrados para processamento de sinais digitais quanto em microprocessadores, a parte operativa é o núcleo onde a computação dos dados é realizada. A geração deste bloco costuma ser crítica para o desempenho global dos dispositivos. Ferramentas específicas para a geração de parte operativa costumam tirar proveito da regularidade estrutural do circuito para produzir leiautes mais densos e com melhor desempenho. Este trabalho apresenta um novo fluxo de projeto para geração de parte operativa onde foi desenvolvido um gerador automático de leiaute de células CMOS com suporte à lógica não-complementar e um compilador de parte operativa. O uso destas duas ferramentas permite a rápida prototipação de uma biblioteca inteira de células lógicas otimizadas, para atender diferentes requisitos de desempenho, que em seguida são utilizadas para montagem de cada um dos blocos funcionais da parte operativa pelo compilador. Comparações feitas com a ferramenta de síntese de células lógicas mostraram que a metodologia desenvolvida é capaz de produzir resultados similares em área e tempo de geração que métodos exatos e ainda possui a vantagem de suportar o uso de múltiplas métricas de qualidade durante o posicionamento dos transistores. As células geradas automaticamente apresentaram acréscimo de área médio de apenas 14% quando comparado às standard-cells e com resultado de atraso e consumo de potência muito próximos ou melhores. Circuitos de parte operativa foram gerados automaticamente pelo compilador e apresentaram na média, menor área, consumo de potência e atraso que circuitos gerados com um fluxo de síntese automático para standard-cells. / Datapath is the core where all the computations are performed in circuits for digital signal processing and also in microprocessors. The performance of the whole system is frequently determined by the implementation of the datapath. Tools dedicated for synthesis of this unit are called datapath compilers and use to take advantage on the structural regularity of the circuit to produce dense layouts and with good performance. This work presents a new flow for datapath generation. An automatic cell synthesis tool with support to non-complementary logic is used in conjunction with a datapath compiler to achieve timing optimization and technology independence. The cell library produced as result of the synthesis process is used by the compiler to place the cells and generate each one of the datapath operators. Comparisons with other cell sythesis tools shown that our approach was able to produce results comparable in area and generation time. Automatically generated cells were compared to standard-cell layouts and presented an average area overhead of just 14% while our circuits presented better or very close delay and power consumption. The datapaths produced by the compiler were compared to a traditional standard-cell based synthesis design flow and presented smaller area, delay and power consumption in average than this approach.

Este trabalho apresenta o estudo, a definição e a simulação elétrica e lógica de um microprocessador CMOS de 32 bits, com arquitetura tipo RISC - o Risco. Dentre as principais características do Risco destacam-se: dados, instruções e endereços são palavras de 32 bits; a unidade de endereçamento é a palavra, permitindo um acesso a 4 Giga palavras (16 Gbytes); a comunição com a memória é feita por um barramento multiplexado de 32 bits para dados e endereços; possui 32 registradores de 32 bits, incluídos nestes o contador de programa, o apontador de pilha, a palavra de status do processador e um registrador constante zero; possui um pipeline de instruções de 3 estágios, atingindo no pico de execução uma instrução por ciclo de máquina; e as instruções de salto têm sua execução retardada de uma instrução. A Arquitetura de Computadores é analisada, em especial as Arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer - Processador com Conjunto de Instruções Reduzido) e CISC (Complex...), mostrando suas características e comparando-as. Algumas máquinas RISC importantes são vistas e o tema de Arquiteturas VLSI e suas implicações tecnológicas no projeto também é abordado. A arquitetura do Risco é descrita dando-se ênfase aos objetivos do projeto e construindo uma visão geral do processador. O tratamento de exceções é apresentado e o conjunto de instruções é analisado quanto ao formato, aos tipos e ao processamento no pipeline. A organização interna do Risco 6 tratada em detalhes, descrevendo-se a Parte Operativa (barramentos, o banco de registradores, a unidade de tratamento da constante, o contador de programa e incrementador associado, a unidade lógico-aritmética, a unidade de deslocamento/rotação) e a Parte de Controle to funcionamento do pipeline de instrug6es, a decodificação, o autômato de controle, a geração e a validação dos comandos). A simulação funcional do Risco, feita em HDC, também é reportada, incluindo o modelamento, os vetores de testa e os resultados. A implementação do Risco é discutida enfatizando-se alguns blocos críticos quanto A Área e ao desempenho. Os barramentos e o banco de registradores, a ULA e a unidade de deslocamento/rotação são estudados em detalhes pela sua importância no desempenho da maquina. Um teste chip contendo a maior parte dos blocos funcionais da parte operativa foi construído, tendo sido aprovado nos testes funcionais. Por fim, faz-se comentários sobre os resultados obtidos, os problemas encontrados e as etapas futuras no desenvolvimento do Risco, alem de serem expostas as conclusões finais. / This work presents the study, the definition, the electric and logic simulation, and the implementation of some blocks of a 32-bit CMOS microprocessor, with RISC architecture - the Risco. Among Risco's main characteristics it is highlighted that data, instructions and addresses are 32-bit words; the address unit is the word, allowing an access to 4-Giga words (16 GBytes); communication with memory is made through a data and address bus of 32 bits; it has 32 registers of 32 bits, including program counter, stack pointer, processor status word, and a zero constant register; it also has an instruction pipeline of three stages, fully capable of issuing one instruction at the execution peak per every machine cycle; and control flow instructions are implemnted as delayed branches. A study on computer architecture is carried out, and special attention is given to the RISC (Reduced Instruction Set Computer) and CISC (Complex...) architectures by means of making comparisons between them, showing their main characteristics and listing some important RISC machines. The VLSI architectures are also discussed, giving emphasis to their technological importance for the Risco's project. Risco's architecture is described, bringing into prominence the aims of the project and an overview of the processor. Exception handling is presented and the instruction set is analysed with regard to format, type and pipeline processing. Risco's internal organization is dealt with in detail, providing descriptions of the data path (buses, register bank, constant unit, program counter and associated incrementer, barrel shifter) and of the control part (operation of pipeline instruction, as well as decodification, control automaton, generation and validation of commands). Risco's functional simulation, through HDC, is mentioned, including modeling, test vectors, and results. Risco's implementation is also discussed giving emphasis to some critical blocks in regard to area and performance. Buses, register bank, arithmetic-logic unit, and barrel shifter are dealt with in detail because of their importance concerning the machine performance. A test-chip, containing most of the functional blocks of the data path, was made and successfully passed the functional tests. Finally, some comments are made with regard to results, main problems, and next stages in the development of Risco.

The mixed-signal and analog design on a pre-diffused array is a challenging task, given that the digital array is a linear matrix arrangement of minimum-length transistors. To surmount this drawback a specific discipline for designing analog circuits over such array is required. An important novel technique proposed is the use of TAT (Trapezoidal Associations of Transistors) composite transistors on the semi-custom Sea-Of-Transistors (SOT) array. The analysis and advantages of TAT arrangement are extensively analyzed and demonstrated, with simulation and measurement comparisons to equivalent single transistors. Basic analog cells were also designed as well in full-custom and TAT versions in 1.0mm and 0.5mm digital CMOS technologies. Most of the circuits were prototyped in full-custom and TAT-based on pre-diffused SOT arrays. An innovative demonstration of the TAT technique is shown with the design and implementation of a mixed-signal analog system, i. e., a fully differential 2nd order Sigma-Delta Analog-to-Digital (A/D) modulator, fabricated in both full-custom and SOT array methodologies in 0.5mm CMOS technology from MOSIS foundry. Three test-chips were designed and fabricated in 0.5mm. Two of them are IC chips containing the full-custom and SOT array versions of a 2nd-Order Sigma-Delta A/D modulator. The third IC contains a transistors-structure (TAT and single) and analog cells placed side-by-side, block components (Comparator and Folded-cascode OTA) of the Sigma-Delta modulator.