1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим




Скачать 21,48 Kb.
Название1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим
страница8/10
Дата04.02.2016
Размер21,48 Kb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

34. Воспроизведение логических функций на PLA.

Выпускаются ПЛМ на основе как биполярной, так и МОП-технологии. Во всех случаях в матрицах имеются системы горизонтальных и вертикальных линий, в узлах пересечения которых при программировании создаются или удаляются элементы связи.

На рис. 8.2, а в упрощенном виде (без буферных элементов) показана схе­мотехника биполярной ПЛМ (микросхемы К556РТ1) с программированием пережиганием перемычек. Показан фрагмент для воспроизведения системы функций размерностью 4, 7, 3 (параметрами микросхемы К556РТ1 в целом являются 16, 48, 8).

Элементами связей в матрице И служат диоды, соединяющие горизонталь­ные и вертикальные шины, как показано на рис. 8.2, б, изображающем цепи выработки терма \\. Совместно с резистором и источником питания цепи выработки термов образуют обычные диодные схемы И. До программирова­ния все перемычки целы, и диоды связи размещены во всех узлах коорди­натной сетки. При любой комбинации аргументов на выходе будет -ноль, т. к. на вход схемы И подаются одновременно прямые и инверсные значе­ния аргументов, а хх = 0. При программировании в схеме оставляются только необходимые элементы связи, а ненужные устраняются пережигани­ем перемычек. В данном случае на вход конъюнктора поданы х ь Xi и Хз-Высокий уровень выходного напряжения (логическая единица) появится только при наличии высоких напряжений на всех входах, низкое напряже­ние хотя бы на одном входе фиксирует выходное напряжение на низком уровне, т. к. открывается диод этого входа. Поскольку в данном случае вы­полняется операция И, вырабатывается терм х j x 2X3-

Элементами связи в матрице ИЛИ служат транзисторы (рис. 8.2, в), вклю­ченные по схеме эмиттерного повторителя относительно линий термов и образующие схему ИЛИ относительно выхода (горизонтальной линии). На рис. 8.2, в показана выработка функции Fj. Работа схемы ИЛИ, реализован­ной в виде параллельного соединения эмиттерных повторителей, была рас­смотрена ранее в § 1.2.

При изображении запрограммированных матриц наличие элементов связей (целые перемычки) отмечается точкой в соответствующем узле.



Рис. 8.2. Схемотехника ПЛМ, реализованной в биполярной технологии (а), и элементы связей в матрицах И (б) и ИЛИ (в)

В схемах на МОП-транзисторах в обеих матрицах используют один и тот же тип ячейки, наиболее удобный для реализации в принятой схемотехнологии. Чаше всего это ячейки ИЛИ-НЕ. Соответственно этому меняются и опера­ции, реализуемые в первой и второй матрицах ПЛМ, а структура ПЛМ име­ет вид (рис. 8.3, а). Такая ПЛМ является последовательностью двух матриц ИЛИ-НЕ, одна из которых служит для выработки термов, другая — для вы­работки выходных функций.

На основании этих выражений можно заключить, что известная связь между операциями, выражаемая правилами де Моргана, говорит о фактическом сов­падении функциональных характеристик биполярной ПЛМ и ПЛМ на МОП-транзисторах: если на входы последней подавать аргументы, инвертирован­ные относительно аргументов биполярной ПЛМ, то на выходе получим ре­зультат, отличающийся от выхода биполярной ПЛМ только инверсией.

На рис. 8.3, б показан фрагмент ПЛМ с программируемыми элементами ти­па EEPROM. Если в плавающий затвор транзисторного элемента связи вве­сти заряд электронов, то пороговое напряжение такого транзистора повы­сится, и он всегда будет запертым — соответствующий вход будет отключен. При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор функционирует как обычно. На рисунке показан один столбец первой матрицы и одна строка второй. Для входов, подключенных к управляющим затворам работающих транзисторов, образуется ячейка ИЛИ-НЕ. Действительно, для группы па­раллельно включенных ключевых транзисторов с общим сопротивлением нагрузки R достаточно хотя бы одного единичного входа, т. е. включенного транзистора, чтобы на выходе схемы напряжение снизилось до уровня логи­ческого нуля.

Рис. 8.3. Структура (а) ПЛМ, реализованная на МОП-транзисторах



Рис. 8.3. Схемотехника (б) ПЛМ, реализованная на МОП-транзисторах

И только нулевые значения всех рабочих входов, т. е. запертые состояния всех транзисторов, позволят выходному напряжению повыситься до уровня логической единицы. Идентичные ячейки ИЛИ-НЕ используются и в пер­вой, и во второй матрицах.

Подготовка задачи к решению с помощью ПЛМ

Для подлежащей воспроизведению системы функций с целью упрощения ПЛМ можно попытаться уменьшить число термов в данной системе. Со­держанием минимизации функций будет поиск кратчайших дизъюнктив­ных форм. Имея в виду использование готовой (стандартной) ПЛМ, следу­ет уменьшать по возможности число термов в данной системе функций задачи до уровня, когда число термов становится не превышающим £ — параметра имеющихся ПЛМ. Дальнейшая минимизация не требуется. Ес­ли размерность имеющихся ПЛМ обеспечивает решение задачи в ее ис­ходной форме, то минимизация не требуется вообще, т. к. не ведет к со­кращению оборудования.

Программирование ПЛМ, выполняемое пользователем, проводится с по­мощью специальных программаторов и сведения для них должны иметь определенную форму. Имеются программаторы, которые принимают в ка­честве информации о ПЛМ таблицу функционирования (истинности), од­нако удобнее задавать сведения о самих перемычках. Символы, исполь­зуемые при таком задании сведений для программирования ПЛМ:

ПН— переменная входит в терм в прямом виде, т. е. нужно оставить це­лой перемычку прямого входа и пережечь перемычку инверсного входа;

■ □ L — переменная входит в терм в инверсном виде, т. е. нужно сохранить перемычку у инверсного входа и пережечь у прямого;

П "—" — переменная не входит в терм и не должна влиять на него, т. е. нужно пережечь перемычки обоих входов.

Оставление перемычек у обоих входов переменной как бы устраняет из матрицы соответствующую схему И, поскольку в силу равенства хх = О выход этой схемы всегда нулевой и не влияет на работу матрицы ИЛИ, на вход которой подается;

□ А — указывается в выходном столбце (столбце функции) и свидетельст­вует о связи данной схемы И с выходом ПЛМ через матрицу ИЛИ. Пе­ремычка должна быть сохранена;

□ "." — указывает на то, что данная схема И не подключается к выходу и должна иметь пережженную перемычку в матрице ИЛИ.

В принятой символике для программирования ПЛМ взятого ранее примера сведения будут заданы таблицей (табл. 8.1).



Упрощенное изображение схем ПЛМ

Схемы ПЛМ достаточно громоздки, и поэтому изображать их желательно с максимально возможным упрощением. Используются изображения, в кото­рых многовходовые элементы И, ИЛИ условно заменяются одновходовыми.



Рис. 8.4. Упрощенное изображение схемы многовходового логического элемента (а) и ПЛМ (б)

Единственная линия входа таких элементов пересекается с несколькими ниями входных переменных. Если пересечение отмечено точкой, да: переменная подается на вход изображаемого элемента, если точки не! переменная на элемент не подается. Пример многовходового конъюнкто входами хх показан на рис. 8.4, а. Схема рис. 8.2, а в новом упрощен изображении имеет вид, приведенный на рис. 8.4, б.

Воспроизведение скобочных форм переключательных функций

С помощью ПЛМ, как и с помощью рассматриваемых далее ПМЛ, мо: воспроизводить не только дизъюнктивные нормальные формы переклк тельных функций, но и скобочные формы.



Рис. 8.5. Схема включения ПЛМ при воспроизведении скобочных форм переключательных функций

В этом случае сначала получают выражения в скобках, а затем они рассма риваются как аргументы для получения окончательного результата. В cxeiv

появляются обратные связи — промежуточные результаты с выхода вновь подаются на входы, логическая глубина схемы увеличивается, задержка вы­работки результата растет. Пусть, например, требуется получить функцию:

F= x1x2V(xIx2V ^2X^X3. Для этого следует применить включение ПЛМ по схеме (рис. 8.5).


35. Обогащение функциональных возможностей ПЛМ и ПМЛ.

Рассмотренные структуры ПЛМ и ПМЛ — базовые, с которых началось раз­витие этих направлений. В дальнейшем происходило обогащение функцио нальных возможностей ПЛМ и ПМЛ с помощью ряда приемов, в первую очередь следующих.

Программирование выходных буферов. В схемах с программируемым выход­ным буфером обеспечивается возможность выдачи выходных функций в прямом или инверсном виде. В такой схеме (рис. 8.11) выработанные мат­рицами функции Fi*—Fn* проходят через выходной буфер, разрядные схемы которого выполнены как сумматоры по модулю 2.



Рис. 8.11. Схема программируемого выходного буфера

В показанной на рисунке схеме вторые входы сумматоров получают нулевые сигналы от потенциала "земли" через плавкие перемычки ПП. При этом F^ = Fi и функции с выхода матриц передаются через буфер без изменений. Если пережечь перемычку у нижнего входа сумматора, то он получит сигнал логической единицы от источника питания через резистор R. Складываясь по модулю 2 с единицей, функции F* инвертируются. Следовательно, в ли­ниях с целыми перемычками функции проходят через буфер неизменными, а в линиях с отсутствующими перемычками — инвертируются.

Программируемый буфер дает дополнительные возможности для минимиза­ции числа термов в реализуемой системе. В исходной системе можно заме­нять функции их инверсиями, если это приводит к уменьшению числа тер­мов. Никаких последствий в смысле введения дополнительных схем это не вызовет — возврат к исходной системе будет обеспечен просто программи­рованием буфера.

Пример

Пусть нужно воспроизвести систему из двух функций:

Карты Карно для этих функций (рис. 8.12) показывают контуры, соответствую щие восьми различным термам системы:






Рис. 8.12. Карты Карно для примера воспроизведения функций в ПЛМ с программируемым выходным буфером

При инвертировании функции единицы занимают в карте Карно те позиции, ко­торые были нулями. Видно, что при инвертировании одной из функций получим карты Карно с меньшим количеством различных термов. При инвертировании, например, функции F2 получим карту с контурами, показанными штриховыми линиями, и систему функций:



в которой всего пять различных термов. Возврат от функции F2 к функции F2 осуществляется пережиганием перемычки в линии выхода F2.

Применение двунаправленных выводов. Используя элементы с тремя состоя­ниями выхода, можно построить схему, в которой некоторые выводы можно приспосабливать для работы в качестве входов или выходов в зависимости от программирования перемычек. В такой схеме один из конъюнкторов предназначен для управления элементом с тремя состояниями выхода (рис. 8.13). Выход элемента одновременно связан с матрицей И как вход.

Возможны четыре режима вывода Вх/Вых в зависимости от того, как за­программированы входы конъюнктора К:

1. Все перемычки нетронуты. В этом режиме на выходе конъюнктора К бу­дет нуль, буфер имеет третье состояние выхода и вывод функционирует как вход.



Рис. 8.13. Схема с двунаправленным буфером

2.Все перемычки пережжены, на выходе конъюнктура единица, буфер акти­вен, вывод работает как выход (его сигналы не используются в матрице И).

3.Выход с обратной связью. Этот режим отличается от предыдущего только тем, что сигналы вывода используются в матрице И.

4.Управляемый выход. Здесь входы конъюнктора программируются. При заданной комбинации входных сигналов конъюнктор приобретает еди­ничный выход, и вывод срабатывает как выход.

В схеме с некоторым числом двунаправленных выводов можно изменять соотношение числа входов/выходов. Если число входов равно т, число вы­ходов п и число двусторонних выводов р, то можно иметь число входов от m до m + р и число выходов от п до n + p при условии, что сумма числа вхо­дов и выходов не превосходит m + n + р.

Введение элементов памяти. Схемы с элементами памяти позволяют строить автоматы наиболее удобным способом, т. к. помимо комбинационной части содержат на кристалле триггеры (регистры) (рис. 8.14) обычно типа D. ПЛМ с памятью характеризуется четырьмя параметрами. Кроме трех обыч­ных параметров, она имеет и параметр г — число элементов памяти (разрядов регистра). Структура ПЛМ (см. рис. 8.14) совпадает с канониче ской схемой автомата. Результат данного шага обработки информации зави­сит в ней от результатов предыдущих шагов, что обеспечивается обратной связью с регистра на вход ПЛМ. Максимальное число внутренних состоя­ний автомата 2Г. Автомат рассматривается как синхронный — петля обрат­ной связи активизируется только по разрешению тактовых сигналов ТС.



Рис. 8.14. Структура ПЛМ с памятью

Использование разделяемых конъюнкторов в схемах ПМЛ. Наряду с пригод­ными как для ПЛМ, так и для ПМЛ методами обогащения функциональных возможностей, рассмотренными ранее, существуют и специфические моди­фикации, относящиеся только к ПМЛ. К ним относится вариант с так на­зываемыми разделяемыми конъюнкторами. "Разделяемость" здесь означает "совместное использование", при котором одни и те же конъюнкторы могут быть отданы тому или иному выходу схемы. Прием "разделения конъюнкто­ров" в его простейшей форме состоит в следующем. Для двух смежных эле­ментов ИЛИ отводится некоторое количество конъюнкторов (например, 16), которое может быть произвольно разделено между этими смежными эле­ментами. Другие элементы ИЛИ использовать данный набор конъюнкторов не могут. Полного программирования матрицы ИЛИ здесь не возникает, но все же эта модификация является шагом в направлении к ПЛМ. Вариант с разделяемыми конъюнкторами смягчает наиболее очевидное ог­раничение функциональных возможностей простых (жестких) ПМЛ — фик­сированное число элементов И на входах элементов ИЛИ, которого может не хватить при воспроизведении сложных функций. Имея ПМЛ с разделяе­мыми конъюнкторами и размещая сложную функцию рядом с простой, можно позаимствовать часть общего набора конъюнкторов у простой функ­ции в пользу сложной.

Вариант схемотехнической реализации разделяемости конъюнкторов, при­мененный в одной из промышленных ПМЛ, показан на рис. 8.15. В ПМЛ имеется дополнительный набор элементов ИЛИ и сложения по модулю 2.


36. Пример более сложной структуры PLD.

На рис. 7.19 показана структура (матрица И и один из 12 макроэлементов) БИС, интересная тем, что, будучи простой, сочетает в себе, тем не менее, несколько типичных для РЫ) приемов повышения функциональной гибко­сти: возможность разделения термов между соседними макроэлементами, программируемость полярности вырабатываемой логической функции (реализуемость Р или Р^, программируемость типа триггера (О или Т), воз­можность выбора комбинационного или регистрового выхода, двунаправ-ленность внешнего вывода.

Единая матрица И имеет 32 входа для подачи входных переменных и два входа для подачи сигналов обратной связи с выхода мультиплексора и ис­пользования внешнего вывода макроячейки в качестве входа при установке выходного буфера в третье состояние.

Конъюнкторы, имеющие по 68 входов, вырабатывают термы, которые пода­ются на элементы ИЛИ (по четыре терма на каждый из двух элементов ИЛИ). Столбец из четырех программируемых мультиплексоров реализует разделяемость термов, позволяя данному макроэлементу не только использовать термы от своих конъюнкторов, но и получать термы от соседних макроэлементов (при программировании мультиплексоров 1 и 4 на передачу данных от верхних входов) или отдавать свои термы соседям с выходов четырех входовых дизъюнкторов.

Окончательный набор термов формируется дизъюнктором, на входы кото­рого поступают выходные сигналы мультиплексоров столбца. Программиро­вание мультиплексора на передачу данных от нижнего входа исключает по­ступающие на него термы из формируемого набора.

Выработанная логическая функция передается в дальнейшие части макро­элемента через сумматор по модулю 2, на второй вход которого при про­граммировании может быть подана логическая единица или логический ноль. В первом случае, проходя через элемент М2, функция инвертируется, во втором — не изменяется. Выход элемента М2 подключен к мультиплек­сору, информационные входы которого помечены буквами Б и Т. Если этот мультиплексор запрограммирован на передачу сигнала от входа В, то триг­гер просто получает сигнал и функционирует как триггер типа В. Если же мультиплексор запрограммирован на передачу сигнала от входа Т, то триг­гер через обычный элемент сложения по модулю 2 замкнут в петлю обрат­ной связи. При этом нулевое значение сигнала на верхнем входе обычного (не программируемого) элемента М2 обеспечивает передачу на вход триггера сигнала его текущего состояния 0, т. е. при поступлении тактового импуль­са состояние триггера сохранится. Единичное значение сигнала на верхнем входе элемента М2 приводит к сложению величины (3 с единицей по_моду-лю 2, т. е. к подаче на вход триггера через мультиплексор величины О, что ведет к переключению триггера. Видно, что в этом случае триггер работает как синхронный триггер типа Т, причем роль сигнала Т играет сигнал на выходе программируемого элемента М2.

Мультиплексор, информационные входы которого помечены буквами К (от Ке^егес!) и С (от СотЫгшопа1), осуществляет в зависимости от програм­мирования выбор типа выхода макроэлемента — в виде запоминаемого сиг­нала 0 от триггера или непосредственно комбинационной функции по ли­нии С, идущей в обход триггера. Через буфер с тремя состояниями выход макроэлемента связан с контактной площадкой (внешним выводом). Если буфер находится в третьем состоянии, контакт может использоваться как входной, с которого сигнал поступает в матрицу И.

Для управления триггером можно выбрать с помощью мультиплексора со входами А и 8 либо синхроннйй вариант (т. е. тактирование общим синхро­сигналом всей микросхемы), либо асинхронный (т. е. с выработкой сигнала тактирования от отдельного терма, иначе говоря, разрешением принятия информации при появлении определенной комбинации входных сигналов матрицы И).



Микросхема реализована по КМОП технологии, ее сложность оценивается числом 1800 эквивалентных вентилей. Двенадцать макроэлементов за счет комбинирования своих термов с термами соседних макроэлементов позво­ляют получать логические функции от 4, 8, 12 либо 16 термов. Время рас­пространения сигналов, через матрицу составляет приблизительно 25 не.

37. Базовые матричные кристаллы (вентильные матрицы с масочным программированием).

Первые образцы базовых матричных кристаллов (БМК) появились в 1975 г. как средство реализации нестандартных схем высокопроизводительной ЭВМ без применения микросхем малого и среднего уровней интеграции. Разработка БМК, кроме того, позволила выполнить и нетиповые части ма­шины на БИС. Формулировку "позволила выполнить" в данном случае следует понимать с учетом экономических факторов.

Стоимость проектирования БИС/СБИС велика и достигает десятков или даже сотен миллионов долларов. Ясно, что производство БИС/СБИС стано­вится рентабельным только при достаточно большом объеме их потребле­ния, чего нет при разработке нестандартных частей конкретных систем.

Выход из создавшихся трудностей был найден на путях разработки БИС/СБИС, функционирование которых может быть приспособлено к ре­шению той или иной задачи на заключительных этапах их производства. При этом полуфабрикаты производятся в массовом количестве без ориента­ции на конкретного заказчика. Придание полуфабрикатам индивидуального характера лишь на заключительных стадиях производства БИС/СБИС обхо­дится значительно дешевле и требует значительно меньшего времени на проектирование. Такие БИС/СБИС называют полузаказными в отличие от полностью заказных.

Развитие полузаказных БИС/СБИС привело к появлению ряда их разно­видностей. Применительно к БМК это канальные, бесканальные и блочные архитектуры.

Прежде чем подробнее остановиться на рассмотрении перечисленных вариан­тов, уточним терминологию. Термин БМК характерен для литературы на рус­ском языке и поэтому используется здесь наиболее часто. В английской терми­нологии принят термин ОА (Са1е Аггау), чему соответствует русский термин — вентильная матрица. В силу тенденции к единообразию терминов "вентильная матрица" предпочтительнее, и, видимо, со временем станет основным обозна­чением данного типа БИС/СБИС.

Основа БМК первого поколения — совокупность регулярно расположенных на кристалле базовых ячеек (БЯ), между которыми имеются свободные зоны для создания соединений (каналы). Эта архитектура называется канальной. Базовые ячейки занимают внутреннюю область БМК, в которой они распо­ложены по строкам и столбцам, и содержат группы нескоммутированных элементов (транзисторов, резисторов и др.). В периферийной области кри­сталла размещены ячейки ввода-вывода, набор схемных компонентов кото­рых ориентирован на реализацию связей БМК с внешними цепями.

Таким образом, БМК является заготовкой, которая преобразуется в требуе­мую схему выполнением необходимых соединений. Потребитель может реа­лизовать на основе БМК некоторое множество устройств определенного класса, задав для кристалла тот или иной вариант рисунка межсоединений компонентов.

Первые БМК (фирмы Апк1ап1 Согр., США) выполнялись по схемотехнике ЭСЛ, для которой полный процесс изготовления включал 13 операций с фотошаблонами. Для изготовления схемы на основе БМК (такие схемы на­зывают МАБИС или БИСМ) требуются только 3 индивидуальных (пере­менных) шаблона для задания рисунка межсоединений. Соответственно этому сроки и стоимость проектирования МАБИС в 3...5 раз меньше, чем для полностью заказных БИС/СБИС.

Плата за сокращение сроков и стоимости проектирования — неоптималь­ность результата. МАБИС проигрывают по площади кристалла и быстро­действию полностью заказным схемам, т. к. часть их элементов оказывается избыточной (не используется в данной схеме), взаимное расположение эле­ментов и пути межсоединений не являются наилучшими и т. д.

Промышленное производство БМК широко развернулось с начала 80-х го­дов. Применяются схемотехнологии КМОП, ТТЛШ, ЙСЛ и др. В настоящее время уровень интеграции БМК достиг миллионов вентилей на кристалле.

При проектировании БМК стремятся наилучшим образом сбалансировать число базовых ячеек, трассировочные ресурсы кристалла и число контакт­ных площадок для подключения внешних выводов. Неудачные соотношения между указанными параметрами могут существенно ограничивать полноту использования ресурсов кристалла при построении МАБИС.

Трассировочная способность БМК определяется, прежде всего, площадью, отводимой для межэлементных связей в ортогональных направлениях. Учи­тывается и число слоев межсоединений. Недостаточная трассировочная спо­собность приводит к уменьшению числа задействованных при построении МАБИС базовых ячеек. Избыточная трассировочная способность ведет к нерациональному использованию площади кристалла, что понижает уровень интеграции БМК и повышает его стоимость. Примерно то же можно сказать и о числе внешних выводов БМК. Для современных БМК может потребоваться до 500...600 внешних выводов. При проектировании БМК требуемые трассировочная способность и число внешних выводов рассчитываются по эмпирическим формулам, основанным на статистических данных, получен­ных из опыта построения систем различного назначения. Эта работа выпол­няется до изготовления БМК и в этом смысле не входит в компетенцию системотехника. Системотехник (потребитель) должен иметь представление о существующих БМК, их разновидностях и особенностях, а также о сред­ствах и методике разработки МАБИС.

До описания разновидностей БМК остановимся подробнее на основных понятиях и определениях.

Базовая ячейка (БЯ) уже определялась как некоторый набор схемных эле­ментов, регулярно повторяющийся на определенной площади кристалла. Этот набор может состоять из нескоммутированных элементов, а также из частично скоммутированных. Базовые ячейки внутренней области БМК именуются матричными базовыми ячейками (МБЯ), ячейки периферийной зоны — периферийными базовыми ячейками (ПБЯ). Применяются два спо­соба организации ячеек БМК:

1 из элементов МБЯ может быть сформирован один логический элемент, а для реализации более сложных функций используются несколько ячеек;

2 из элементов МБЯ может быть сформирован любой функциональный узел, а состав элементов ячейки определяется схемой самого сложного узла.

Функциональная ячейка (ФЯ) — функционально законченная схема, реали­зуемая путем соединения элементов в пределах одной или нескольких БЯ.

Библиотека функциональных ячеек — совокупность ФЯ, используемых при проектировании МАБИС. Эта библиотека создается при разработке БМК и избавляет проектировщика МАБИС от работы по созданию на кристалле тех или иных типовых подсхем, т. к. предоставляет для их реализации готовые решения. Библиотека содержит большое число (сотни) функциональных эле­ментов, узлов и их частей. Пользуясь библиотекой, проектировщик реализует схемы, работоспособность которых уже'проверена, а параметры известны. Ра­ботая с библиотекой, он ведет проектирование на функционально-логическом уровне, поскольку проблемы схемотехнического уровня уже решены при соз­дании библиотеки. Библиотечные элементы имеют различную сложность (логические элементы, триггеры, более сложные узлы или. их фрагменты). В состав библиотечного элемента могут входить одна или несколько БЯ. Площадь библиотечного элемента кратна площади БЯ. При проектировании МАБИС функциональная схема изготовляемого устройства, как принято го­ворить, должна быть покрыта элементами библиотеки.

Эквивалентный вентиль (ЭВ) — группа элементов БМК, соответствующая возможности реализации логической функции вентиля (обычно это двухвходовой элемент И-НЕ либо ИЛИ-НЕ). Понятие "эквивалентный вентиль" предназначено для оценки логической сложности БМК.

Каналы трассировки — пути на БМК для возможного размещения межсо­единений.

Классификация БМК показана на рис. 7.20. Первоначальной и, в известной мере, классической является структура канального БМК (рис. 7.21, а). Во внутренней (центральной) области такого БМК расположена матрица базо­вых ячеек 1 и каналы для трассировки 2.



Рис. 7.20. Классификация базовых матричных кристаллов

Каналы могут быть вертикальными и горизонтальными как на рис. 7.21, а, либо только вертикальными (рис. 7.21, б). Канальные БМК могут иметь большие возможности по созданию связей, но имеют низкую плотность упаковки из-за значительных затрат площади кристалла на области межсо­единений.

Канальная архитектура характерна для биполярных БМК, т. к. значительная мощность рассеивания биполярных БЯ сама по себе препятствует плотной их упаковке.

Повышение уровня интеграции БМК ведет к быстрому росту числа необхо­димых межсоединений между базовыми ячейками, а значит и площади, от­водимой для них. Поиск путей создания БМК высокого уровня интеграции с минимизацией площади, отводимой под межсоединения, привел к беска­нальной архитектуре БМК. Внутренняя область такого БМК содержит плот­но упакованные ряды базовых ячеек и не имеет фиксированных каналов для трассировки межсоединений (рис. 7.21, в). В этом кристалле любая область, в которой расположены БЯ (строка, столбец либо их часть) может быть ис­пользована как для создания логической схемы, так и для создания межсо­единений. Вследствие более рационального расположения связей в беска­нальном БМК уменьшается и задержка передачи сигналов по связям, т. к. и длины и паразитные емкости межсоединений уменьшаются.



Рис. 7.21. Структуры БМК различных типов (а), (б), (в), (г) и расположение областей БМК (д)

Бесканальные БМК характерны для КМОП-схемотехники, в которой ком-пактность схемных элементов и малая мощность рассеяния БЯ при их рабо­те на не слишком высоких частотах способствуют возможностям плотной упаковки базовых ячеек.

Бесканальные БМК реализуются в вариантах "море вентилей" и "море тран­зисторов ". Первый содержит массив законченных логических элементов, второй — массив транзисторов.

Так как в бесканальных БМК, называемых иногда универсальными, положе­ние трассировочных каналов и ячеек на рабочем поле не является жестким и при проектировании конкретной МАБИС площадь кристалла может перерас­пределяться между трассировочными каналами и функциональными ячейка­ми, потери площади кристалла снижаются. Например, в БМК с плотным рас­положением на рабочем поле рядов транзисторов в некоторых рядах реализу­ются логические элементы, а другие ряды используются под трассировочные каналы, в них транзисторы остаются нескоммутированными и не используют­ся (над ними проходят трассы). В зависимости от загруженности каналов, для них может быть отведено различное число рядов транзисторов.

В КМОП БМК используются также архитектуры с переменной длиной яче­ек (рис. 7.21, г). Здесь каждая строка представляет собою последовательное соединение пар п- и р-канальных транзисторов. Если в такой длинной цепи разместить в заданных местах пары запертых транзисторов, то цепочка будет разделена на базовые ячейки произвольной длины. Возможность варьирова­ния длиной БЯ ведет к более рациональному построению МАБИС и, следо­вательно, к повышению уровня интеграции реализуемых на БМК схем.

Внутренняя область кристалла (ВО) окружена периферийной областью (ПО) (рис. 7.21, д), расположенной по краям прямоугольной пластины БМК. В периферийной области расположены специальные ПБЯ, набор схемных элементов которых ориентирован на решение задач ввода/вывода сигналов, а также контактные площадки (КП). Рост уровня интеграции ведет к воз­можностям реализации на одном кристалле все более сложных устройств и систем. Это вызвало к жизни блочные структуры БМК, архитектура которых упрощает построение комбинированных устройств, содержащих как блоки логической обработки данных, так и память или другие специализирован­ные блоки. При этом в БМК реализуются несколько блоков-подматриц, ка­ждый из которых имеет как бы структуру БМК меньшей размерности. Меж­ду блоками располагаются трассировочные каналы (рис. 7.22). На перифе­рии блоков изготовляются внутренние буферные каскады для формирования достаточно мощных сигналов, обеспечивающих передачу сигналов по меж­блочным связям, имеющим относительно большую длину.

Тип обрабатываемых сигналов (цифровые, аналоговые) влияет на качество и состав схемных элементов базовых ячеек. В связи с этим БМК подразделяются на цифровые, аналоговые и цифроаналоговые. Аналоговые и цифроаналоговые БМК, появившиеся позднее цифровых и менее распространенные, имеют со­став базовых ячеек, позволяющий получать на их основе такие схемы, как операционные усилители, аналоговые ключи и компараторы и т. д.



Рис. 7.22. Блочная структура БМК

Классификация по используемой схемотехнике отражает только основные варианты БМК. Варианты максимального быстродействия реализуются на схемах типа ЭСЛ или, что более экзотично, на арсениде галлия. Большое место занимает схемотехника КМОП, проявляющая свойственные ей из­вестные достоинства. На основе схемотехнологии ТТЛШ выполнялись БМК среднего быстродействия.

Кроме перечисленных, известны и другие по схемотехнике БМК. Напри­мер, БМК на основе схемотехники БиКМОП, кремний на диэлектрике и др. Однако эти варианты не принадлежат, по крайней мере пока, к числу широко распространенных.

Важной характеристикой БМК является число слоев межсоединений (в на­стоящее время это 2...6). Многослойность облегчает трассировку и позволяет изготовлять БМК более высокого уровня интеграции. В простейшем случае двухслойной трассировки на первом (нижнем) уровне обычно выполняются переменные соединения внутри БЯ (часть соединений не зависит от реали­зуемой на БМК схемы и постоянна) и связи по вертикальным каналам. Этот слой делается либо в виде диффузионной области самого кристалла, либо в виде поликремниевых или металлических дорожек. Второй слой металлизи­рованных соединений дает разводку горизонтальных трасс и обслуживаю­щих линий (питание, "земля", синхронизация и т. д.).

В четырехслойном кристалле в первом, слое задаются связи внутри БЯ, во втором — вертикальные трассы, в третьем — горизонтальные, а в четвер­том — обслуживающие цепи.

При увеличенном числе слоев можно исключить трассировочные каналы между ячейками, перейдя к бесканальным структурам. На рис. 7.23 показан компонентный состав БЯ БМК типа ЭСЛ, рассчитан­ный на реализацию двухъярусных логических элементов. Не рассматривая функциональные возможности схем, получаемых на основе таких БЯ, ука­жем только, что резисторы КО, входящие в состав источников тока для вы­шележащих переключателей, могут включаться параллельно или последова­тельно. Это дает возможность получить несколько значений переключаемых токов, т. е. модификации схем, отличающиеся быстродействием и потреб­ляемой мощностью.



Рис. 7.23. Компонентный состав базовой ячейки БМК типа ЭСЛ

На рис. 7.24 представлен один из вариантов БЯ БМК типа КМОП. Схем­ными элементами таких БЯ служат только транзисторы с р- и п-каналами. Число транзисторов в ячейке выбирается по результатам анализа частоты использования различных логических элементов в устройствах заданного класса и преобладающих требований по нагрузочной способности, быст­родействию и т. д. Высокий коэффициент использования транзисторов дают кристаллы с числом транзисторов в ячейке 4, 8 или 10. На рис. 7.24 показаны топология и электрическая схема ячейки с 4 транзисторами. Квадратные элементы топологического рисунка — контактные площадки к затворам и фиксированные контактные окна к элементам ячейки. Транзи­сторы можно соединять последовательно или параллельно, т. е. можно по­лучать типовые подсхемы логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. В схе­мотехнике КМОП транзисторы с противоположными по типу проводимоста каналами всегда используются попарно, поэтому пары транзисторов могут иметь общий затвор.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЗазнаев О. И. Вторая молодость «долгожителя»: концепт «политический институт» в современной науке Раздел Теоретические проблемы политологии
Институты – это конструкции, созданные человеческим сознанием. Но даже самые убежденные представители неоклассической школы признают...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЛекция: Адресация операндов Основная функция любого процессора, ради которой он и создается, это выполнение команд. Система команд, выполняемых процессором,
Система команд, выполняемых процессором, представляет собой нечто подобное таблице истинности логических элементов или таблице режимов...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЛекция: природный фактор
В конечном счете все, чем обладает современный человек, кроме знаний и информации, сделано из природного материала, пусть и преобразованного....
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconПрограмма «Credo Топополан» программа создания цифровой модели местности и выпуска топографических плАнов
Назначение: создание цифровой модели местности инженерного назначения, выпуск планшетов и чертежей топографических планов
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconМежсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания рэс
Показаны преобразования модели при изменении параметров изделия в ходе жизненного цикла и результаты применения подобных методик...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconОпределение параметров модели процесса миграции радионуклидов в почве
Предлагается методика экспериментального определения параметров модели процесса миграции радионуклидов в почве
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconУтренняя гимнастика
Основные движения бег и подскоки обязательно включаются в утреннюю гимнастику, они усиливают деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим icon1 00 книг, без которых нельзя прожить
В конечном счете, качество выигрывает. Хотя люди и скупали "Код да Винчи" миллионными тиражами, но в опросе о любимых книгах британцев...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconПятая международная конференция
Законы преобразования информации: Общая теория информации и интеллект. (Yi-Xin Zhong, Китай)
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconРекомендации участникам олимпиады по истории основные подходы к проведению Олимпиады по истории
Особо выделим цель – отбор учащихся-победителей для создания ими портфолио успешности ученика и, в конечном счете, формирования льготных...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница