Основна частина пояснювальної записки для курсових робіт містить аналітично-розрахункову частину.
Курсовий проект має включати розділи, які відображають маршрут проектування ВІС на основі БМК.
У вступній частині слід відобразити місце і значення БМК у розробці цифрових виробів.
У наступному розділі наводять зміст поставленого завдання, основні технічні характеристики виробу, який розробляють, функціональне зображення НВІС, а також призначення й активні рівні сигналів на зовнішніх виводах.
Розроблюючи принципову електричну схему, використовують відомі методи синтезу цифрових виробів, обґрунтовують вибір елементів. Особливу увагу при проектуванні слід звернути на структуризацію функціональних фрагментів, яка б забезпечувала простоту логічної моделі й процес трасування. За даними таблиці 4.1 навести розрахунок швидкодії цифрового виробу, не враховуючи додаткові затримки реальних з’єднань.
Розділ «Логічне моделювання принципової електричної схеми» містить як розробку логічної моделі, так і синтез тестів функціонального контролю. Тест має забезпечувати повноту перевірки виробу, який розробляють.
У розділі «Трасування» слід обґрунтувати розміщення бібліотечних елементів згідно з електричною принциповою схемою і навести розробку трафаретного креслення з’єднань.
У наступному розділі наводять обчислення апаратних витрат (кількість використаних базових комірок), а також розрахунок швидкодії виробу, враховуючи топологію розведення.
Обсяг пояснювальної записки, як правило, встановлюється в межах годин, передбачуваних для вивчення дисципліни, та не повинен перевищувати 30 сторінок.
В основній частині пояснювальної записки викладаються проектні та перевірочні розрахунки об’єкта проектування (дослідження).
Для курсових робіт, які пов’язані з математичним моделюванням та теоретичними дослідженнями, теоретично-розрахункова частина може складати 60% обсягу аркушів пояснювальної записки.
Розрахункова частина має бути логічно пов’язана з теоретичними відомостями теми роботи, демонструватись ілюстративним матеріалом (графіками, схемами, діаграмами) або таблицями з обов’язковим посиланням до цих рисунків (таблиць) за текстом пояснювальної записки.
Пояснювальну записку до курсових робіт, з дисциплін програмного характеру рекомендується оформлювати згідно з вимогами ”Єдиної системи програмної документації (ЄСПД)”. До записки доцільно включити розділ ”Руководство оператора” (або інший згідно з переліком, визначеним ЄСПД), в якому повинні бути:
– вимоги щодо апаратної частини та програмного забезпечення комп’ютера, на якому планується використовувати програмний продукт ( процесор, об’єм пам’яті, відеокарта, тип операційної системи тощо);
– інструкція для роботи з програмою.
В тексті пояснювальної записки повинні бути посилання до рисунків, таблиць, додатків, що входять до змісту роботи.
Графічна частина роботи може подаватись як інформація в тексті пояснювальної записки або додатків, що чітко визначаються керівником проекту в індивідуальному завданні.
Якщо при проектуванні об’єкта виникає потреба в експериментальному досліджені або машинному моделюванні, то ця частина повинна утримувати детальне обґрунтування та аналіз отриманих результатів.
Розрахунки та графічні роботи, які входять до пояснювальної записки, рекомендується виконувати за допомогою ліцензійного комп’ютерного забезпечення (Pascal, Work Bentch, MathСad, P-Cad, AutoCad, Компас, АrchiCad і под.). Також можна використовувати програмні матеріали, які розроблені кафедрами відповідних інститутів.
Наприклад, у випадку використання сучасних (іноземних) програмних засобів моделювання цифрових схем, слід подавати позначення (базових вузлів, регістрів, логічних елементів і т ін.) у вигляді відповідних зображень (рис. 2, 3), з метою, щоб їх позначення не вступали в протиріччя з діючими державними стандартами. Або можна виносити умовні графічні позначення, що використовуються у програмному середовищі заданому в індивідуальному завданні, в додатки окремим аркушем.
Тобто, слід вказувати назву програмного продукту, який використовується в проекті; намагатись забезпечити повне розуміння його використання (здебільшого європейського). Також необхідно в розділі моделювання поєднувати існуючі позначення з іноземними або мати згоду (рішення) кафедри до використання цього програмного продукту.
Для курсової роботи (КР) аналітично-розрахунковий розділ є основною частиною пояснювальної записки за обсягом та змістом. Пояснювальна записка може містити декілька розділів, які визначаються темою та індивідуальним завданням на курсову роботу.
При виконанні цієї частини КР слід дотримуватись обґрунтованого і аргументованого стилю викладення та врахувати можливі варіанти розв’язання поставленої задачі на підставі проведеного аналізу відомих розв’язків. Аргументація по тексту повинна підсилюватись відповідними розрахунками, графіками, діаграмами, таблицями тощо.
Трасування
2.5.2.1 Опис, конструкція і принцип використання нескомутованої вентильної матриці.
Нескомутована вентильна матриця /НВМ/ [1, 2] - стандартно розміщений на кристалі набір активних і пасивних елементів, з'єднаних між собою за допомогою одного шару комутації. НВМ призначена для прискореного створення спеціалізованих замовних ВІС.
Використання ВІС на основі КМОП дає можливість подолати труднощі, пов’язані зі збільшенням номенклатури ІС, і гарантує:
1. значне зменшення терміну розробки;
2. значне зменшення трудомісткості проектних робіт;
3. малу споживану потужність;
4. можливість побудови апаратури з малими масою й габаритними розмірами;
5. високу надійність, властиву схемам з високим рівнем інтеграції.
НВМ - це заготовка кристала розміром 6,35 х 7,15 мм2, на полі якого розміщені 1012 базових комірок для реалізації логічних і тригерних функцій і 62 комірки для функцій "вхід - вихід". Кристал містить у собі 64 контактні площадки. Контактні площадки 32 і 64 - відповідно "земля" і "живлення".
Структурно кристал НВМ є матрицею, до складу якої входять 22 стовпця і 46 рядків комірок типу
між якими перебувають полікремнієві шини комутації. По периметру кристала розміщені елементи входу-виходу з контактними площадками.
Базовий кристал виготовлено за КМОП-технологією з полікремнієвими затворами. Базова комірка, на основі якої будуються бібліотечні елементи, містить у собі 12 транзисторів (шість
-канальних і шість
–канальних).
Проектуючи НВІС на основі КМОП-технології, необхідно дотримуватися таких умов:
1. кількість виводів, які реалізують функцію "вихід", має не перевищувати 40;
2. виводи типу "вхід-вихід", "вихід" розміщуються симетрично відносно контактної площадки "земля".
Бібліотека логічних елементів розроблена на основі компонентів базової комірки. Бібліотечний елемент реалізується з допомогою тої чи іншої топологічної конфігурації в змінному шарі. Топологія кожного бібліотечного елемента НВМ однозначно визначає його функціональний зміст. Склад бібліотеки елементів і їх параметри наведені у дод. 1.
Стандартні комірки дають можливість легко використовувати ЕОМ для спрощення проектування ВІС і полегшують задачу розміщення, що дозволяє скоротити терміни проектування.
Пропонується такий маршрут для проектування ВІС:
1. розробка принципової електричної схеми;
2. логічне моделювання принципової електричної схеми;
3. синтез тестів функціонального контролю;
4. орієнтовний розрахунок електричної схеми;
5. трасування;
6. розробка й перевірка топології;
7. перевірчий розрахунок електричною схеми, враховуючи топологію;
8. запис інформації на магнітну стрічку і виготовлення фотошаблонів.
Перед початком розробки принципової електричної схеми слід вивчити бібліотеку стандартних елементів і застосувати її згідно з вимогами на трасування, динамічними параметрами і вимогами на автоматизоване проектування. Розроблюючи схему, необхідно повністю використати всі логічні елементи однієї комірки, тобто неприпустимі, невикористані (висячі) входи бібліотечних елементів.
Проектуючи принципові електричні схеми, слід приблизно оцінити середній сумарний час затримки на ланцюжку логічних елементів, не враховуючи паразитних ємностей.
Середній сумарний час затримки обчислюється за формулою
,
де
- середній час затримки поширення сигналу на
-му елементі,
,
,
час затримки передачі відповідно переднього й заднього фронтів сигналу.
Через розкид технологічних параметрів середній час затримки поширення сигналу може відрізнятися від обчислених даних, тому треба мати запас за цим параметром.
Після отримання топології кристала необхідно провести перевірчий розрахунок. Для цього слід обчислити паразитні ємності й опір зв’язків по алюмінієвих і полікремнієвих шинах, а також сумарну ємність по затворах. Сумарну паразитну ємність обчислюють за формулою
,
де
,
,
- сумарна ємність відповідно алюмінієвої шини, полікремнієвої шини й затворів.
Аналогічно розраховується сумарний паразитний опір з’єднань.
Електрофізичні й геометричні параметри кристала НВМ серії 1515ХМ1 наведені в табл. 1.1
Шини синхронізації виконуються алюмінієвими провідниками. Підсилювач синхронізації будується у тому самому стовпці, що й тригери.
Максимальна кількість навантажень на один елемент:
інвертор - 5;
тригер – 5;
підсилювач одинарний - 10;
підсилювач (3-НІ) - 15;
підсилювач (4-НІ) - 20;
вхідний елемент - 12.
Для дво- і тривходових елементів максимальна кількість навантажень - 4.
Забороняється використовувати в НВМ внутрішні генератори імпульсів.
Таблиця 1.1 – Електрофізичні й геометричні параметри кристала НВМ
Параметр, його одиниця
|
Значення
|
Ширина алюмінієвих трас, мкм
|
5,7...6
|
Геометричні розміри комірки, мкм:
довжина
ширина
|
128
240
|
Ємність одного входу вентиля, пФ
|
0,15
|
Опір та ємність шини, яка приходить між
комірками і :
Ом
пФ
|
540
0,03
|
Питома ємність, пФ/ полікремнія
по оксиду:
тонкому
товстому
|
440
30…40
|
Питома ємність алюмінія, пФ/ :
N - кармана
р - підложки
|
15…20
680
220
|
Питомий поверхневий опір, Ом/ :
N - області
р – області
полікремнія
алюмінія
|
20…40
60…80
20…30
0,015…0,025
|
2.5.2.2 Логічне проектування цифрових виробів на основі БМК
Логічне проектування цифрового виробу [1, 2] полягає у розробці й послідовному налагодженні логічної моделі, яка є сукупністю проектної інформації про електричну схему, значення кодів частин, що програмуються, тестової перевірки роботи виробу (ПРВ) і конструктивних виводів у обсязі, достатньому для проектування топології й автоматичного синтезу програм контролю. Програма забезпечує налагодження методом логіко-часового моделювання.
Програма логічного моделювання застосовується для виробів, логіку функціонування яких можна адекватно подати у восьмеричному алфавіті логічних значень:
0 - низький рівень напруги;
1 - високий рівень напруги;
Z - високоімпедансний стан;
- часткова невизначеність /0 або Z/;
- часткова невизначеність /1 або Z/;
X - повна невизначеність;
/ - невизначеність за час перемикання
з "0" в "1";
b - невизначеність за час перемикання з "1" в "0".
Тест логічної моделі складається з розділів. Кожний розділ починається синтаксичним знаком "%", який забороняється застосовувати для інших призначень, і складається з послідовності, стрічок, що закінчуються знаками "-".
Опис електричної схеми зводиться до послідовного опису структур, що її покривають. При цьому кожній функціонально закінчений фрагмент, який повторюється, подається окремою структурою й ідентифікується своїм ім’ям (рис. 1.1). Допускається будь-яка кількість структурних вкладень. Структура, що визначає всю електричну схему, задається останньою.
Опис кожної структури починається ключовим словом "структура", містить у собі три розділи й закінчується знаком оклику.
< Структура > :: =
<Структура>
<тип>
<елементи>
<зв'язок > !
У розділі <тип> задають умовне позначення типу, з яким взаємно однозначно порівнюються структура, що описується, і вся інформація про неї.
У розділі <елементи> визначається склад елементів, які утворюють структуру. При цьому для кожного елемента структури наводиться умовне позначення його типу і локальне ім’я, що забезпечує його індивідуальність. Після вказівки умовного позначення типу через кому перелічуються імена елементів наведеного типу.
У розділі <зв’язок> послідовно описуються зв’язки між зовнішніми виводами структури та її складовими елементами. Кожний зв’язок задають переліком через кому всіх безпосередньо зв’язаних між собою виводів і закінчують крапкою з комою, якщо він не останній. Останній закінчується символом "
". Зовнішні виводи структури позначаються простими, в одне слово, іменами. Зовнішні виводи елементів - складними (у два слова) іменами, в яких указують імена елемента та його виводу.
Описуючи зв’язки, кожний вивід згадується один і тільки один раз. Поява імені будь-якого виводу ще раз вважається помилкою.
Проектування тестової перевірки (ТП) цифрової НВІС зводиться до проектування базисної послідовності елементарних перевірок яка реалізується за допомогою контрольно-вимірювального обладнання. Елементарна перевірка - найпростіша перевірююча операція, що реалізується за командою управляючої програми. Протягом будь-якої елементарної перевірки кожний зовнішній вивід НВІС перебуває тільки в одному логічному стані.
Складну тестову перевірку рекомендується описувати по частинах, що значно спрощує її налагодження і коректування. Тому в загальному випадку опис тестової перевірки складається з послідовності розділів. Кожний розділ починається ключовим словом "перевірка", що перебуває між символами "
" і ":", і задає логічний стан усіх виводів за допомогою діаграм. Кожна діаграма описує перелік згрупованих виводів і послідовність їх логічних станів.
Об’єднання виводів у групи і порядок проходження діаграм не регламентуються, а вибираються з погляду зручності.
<перевірка> : := перевірка : <діаграми>
У лівій частині кожної діаграми через кому перелічуються згруповані виводи. У правій частині після символа "=" задається опис станів цих виводів протягом потрібної послідовності елементарної перевірки.
Перемикання описуються переліком через кому окремих перемикань і повторів. Кратність вказує на кількість елементарних перевірок, протягом яких згруповані виводи зберігають свій стан. Якщо кратність не задана явно, то вона вважається такою, що дорівнює одиниці.
Періодичну частину в послідовності перемикань описують так: виявляють частину, що повторюється; описують її один раз усередині дужок, після закриваючої дужки вказують кратність періоду.
Опис контрольних точок починається заголовком "контр. точки" і вміщує перелік через кому тих виводів і внутрішні змінних, стан яких треба запам'ятати для наступного аналізу. Зовнішні виводи виробу ідентифікують простими іменами, внутрішні - складними які відображають ієрархію структурного опису.
У моделі стан кожного виводу описують двома змінними. Одна описує логічний сигнал, який передається виводом у з’єднання, друга - сигнал, який приймає вивід зі з’єднання. За допомогою службових слів "джерело" і "приймач" слід уточняти, яка з двох змінних потрібна.
У додатку 2 наведено приклад опису електричної схеми тригера (див. рис.1.1) і його тестової перевірки.
![](21_src/21_image056.jpg)
Рисунок 1.1 – Принципова електрична схема тригера і тест його перевірки
2.5.2.3 Трасування
Трасування НВМ [3, 4] зводиться до нанесення електричних з'єднань між вибраними комірками з допомогою змінного шару металізації. Основою для виконання трасування є технологічне креслення - трафарет для розведення.
Трафарет - це спрощене зображення базового кристала й допоміжна інформація в умовному вигляді, на який накладається і поєднується плівка для нанесення шарів розведення.
Структурно на трафареті виділяють три умовні зони (рис. 3.1).
Зона 1 - робоча. Тут розміщують комірки
,
,
. Це основне поле, на якому розміщують бібліотечні елементи і з’єднують між собою. Поле містить 1012 комірок типу
.
![](21_src/21_image063.png)
Зона 2 - зона трасування. Введена для зручності розведення з’єднань між зоною 1 і зовнішніми контактними площадками. У ній розміщується система полікремнієвих шин, за допомогою яких можна з’єднати елементи з контактними площадками кристала.
У зоні 3 розміщуються 62 комірки типу
. Крім того, тут розміщені контактні площадки "земля" і "напруга", виготовлені постійним шаром алюмінію.
Знаками "
" чорного кольору умовно зображені місця розташування контактів бібліотечних елементів.
Знаком "
" червоного кольору показують точки можливої прив'язки бібліотечного елемента. Вершина прямого кута є центром прив’язки, а розворот трикутника вказує на розворот бібліотечного елемента. У комірках типу
, крім прив’язки, існує знак розвороту комірки.
Процес трасування зводиться до компоновки відповідних схем бібліотечних елементів на полі трафарету і розведення виводів бібліотечних елементів згідно зі з’єднаннями за схемою.
Комірка типу
складається з двох частин, поділених полікремнієвою шиною. Перша половина вміщує 4 транзистори, друга - 8.
Номери бібліотечних елементів мають такі позначення:
,
,
,
,
,
,
де
- порядковий номер бібліотечного елемента.
Комірка типу
побудована на базі чотирьох транзисторів, тому її прив’язка відноситься до чотиритранзисторної частини комірки.
Комірка типу
побудована на базі восьми транзисторів, і місце її прив’язки визначається у восьмитранзисторній частині комірки.
Комірка типу
має таку побудову:
- місце привязки комірки;
- означає, що комірка закінчується у восьмитранзисторній частині комірки;
- кількість полікремнієвих шин, які відділяють чотиритранзисторну частину комірки від восьмитранзисторної.
Якщо яка-небудь комірка не використовується, то на кресленні трасування залишають порожнє місце.
У зоні 2 (поле комутацій) можливе проведення провідників двох типів: полікремнієвих і алюмінієвих. Організація поля комутацій наведена на рис. 3.2.
![](21_src/21_image094.jpg)
Рисунок 3.2 – Схема організації поля комутацій
Горизонтальні лінії
відповідають полікремнієвим провідникам, які покриті діелектричним матеріалом, що дозволяє проводити поверх них алюмінієві провідники. Контактні з’єднання з полікремнієвими провідниками можливі тільки у спеціально відведених місцях (контактні площадки
).
З рис. 3.2 видно, що кожна полікремнїєва шина має п’ять контактних площадок. Поле комутацій дозволяє провести шість паралельних алюмінієвих провідників (два між кожними двома контактними площадками до полікремнієвої шини). Перевагу при з’єднаннях елементів віддають алюмінієвим провідникам, тому що вони мають значно менший питомий опір.
При виконанні креслень полікремнієві шини виконують червоним кольором, алюмінієві провідники – чорним, а вертикальні лінії – зеленим кольором.
На рис. 3.3 наведено фрагмент трасування.
![](21_src/21_image100.jpg)
Рисунок 3.3 – Фрагмент трасування