книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах

6 сийу неравномерности распределений Также создают разные ем­ костные нагрузки на выходах элементов, которые различаются при­ мерно на порядок. Средняя длина соединений в восемь раз меньше максимальной. Отметим, что с ростом степени интеграции матрич­ ной БИС средняя длина трассы увеличивается [98] по экспоненциаль­ ному закону. Длина трассы /т, вероятность прохождения которой в канале для трассировки равняется 6, определяется формулой

1Т = /тмa«c(l/2 ô —Д,9),

где /тмакс — максимальная длина трассы в канале для трассировки. Соотношение справедливо при ô > 0,7.

Входные емкости нагрузочных элементов зависят от их структу­ ры: от числа и размеров транзисторов, подключенных к данному входу элемента. Эта величина определяется на основе характерис­ тик библиотечного элемента. Таким образом, емкости нагрузки эле­ ментов можно оценить только априорно. Повышать нагрузочную способность, не изменяя быстродействия, можно, изменяя размеры транзисторов в элементе, используя новое синтезированное схемо­ техническое решение или заменяя однокаскадную реализацию мно­ гокаскадной, где в качестве выходных формирователей используются инверторы. Каждый метод применим в определенном диапазоне из­ менения емкости нагрузки (см. рис. П. 2). Поэтому все модификации элементов должны входить в библиотеку.

Конструктивная гибкость библиотеки обеспечивается разра­ боткой нескольких модификаций топологии соединений компонен­ тов в ячейках логической матрицы. Это делается для возможности подключения элемента к соседним слева, справа, сверху и снизу, для использования площади ячейки при проведении горизонтальных и вертикальных трасс, для создания топологии зеркального ото­ бражения ячейки и т. д. Например, в библиотеке Macrocell фирмы Motorola [108] на 48 ЛЭ имеется 100 вариантов соединений компо­ нентов в ячейках логической матрицы.

Совместное использование модификаций на логическом, схе­ мотехническом и конструктивном уровнях создания библиотеки позволяет выбирать оптимальный элемент в каждом конкретном слу­ чае.

Номенклатура библиотечных элементов. Номенклатура эле­ ментов не является постоянной, а изменяется в зависимости от функций проектируемых устройств, схемотехнического базиса, технологии изготовления [98, 99, 100, 103], структуры и возможно­ стей, заложенных в ячейку логической матрицы. Как правило, в библиотеке имеются три группы элементов, каждая из которых реа­ лизуется на различных ячейках логической матрицы:

цифровые элементы, выполняющие логические функции и функ­ ции конечных автоматов;

вспомогательные элементы — элементы интерфейса, входные и выходные схемы, элементы согласования и изменения уровней;

специальные элементы.

В однокаскадной реализации среди цифровых комбинационных элементов должны присутствовать все элементы, выполняющие логические функции от двух и трех логических переменных, а также наиболее сложные элементы от четырех переменных. Как показали исследования [27], синтезированные варианты схем этих элементов практически всегда имеют лучшие электрические характеристики, занимают меньшую площадь и реализуются на меньшем числе транзисторов, чем элементы, выполняющие те же функции, пред-

ставленные в традиционных логических базисах И—НЕ, ИЛИ—НЕ и универсальных логических базисах И—ИЛИ— ... —НЕ, ИЛИ— И— ... —НЕ.

Элементы от пяти и более переменных представляются в виде каскадного соединения элементов с меньшим числом входных пере­ менных. Оптимальное каскадное представление функций зависит от соотношения емкости нагрузки и входной емкости элемента.

Библиотека включает двунаправленные ключи и отдельные транзисторы, предназначенные для работы в ключевом режиме. Среди автоматов разряды регистров, счетчиков, cvMMaTopoB, отдель­ ные функциональные триггеры: RS, D, JK, T, DV и т. д. [5, 49]. Модификации элементов определяются цепями установки, схемо­ техникой входных цепей и базовых триггерных ячеек (см. гл. 2). Макроэлементами библиотеки являются: мультиплексоры, демуль­ типлексоры, усилители мощности, динамические регистры сдвига, дешифраторы, полусумматоры, сумматоры-вычитатели, сверхопе­ ративные запоминающие устройства, арифметико-логическое уст­ ройство, схемы ускоренного переноса, буферные элементы, логичес­ кие элементы согласования.

Вспомогательные элементы: входные элементы прямого усиле­ ния, регистровые входные элементы, выходные мощные каскады, схемы с тремя состояниями, элементы стробирования.

Специальные элементы: элементы защиты, контактные пло­ щадки, тестовые структуры, делители напряжения, логические рас­ ширители, схемы согласования уровней.

По функциональному составу, назначению и модификациям библиотека пополняется в процессе эксплуатации при разработ­ ке микросхем.

6.5. Применение методов синтеза для расширения библиотеки макроэлементов

Причины расширения библиотеки элементов при про­ ектировании матричных БИС были рассмотрены выше. В данном параграфе рассмотрим применение методов син­ теза для расширения библиотеки при проектировании.

Методы синтеза канонического набора РЛФ исполь­ зуются для генерации множества аналитических описаний различных принципиальных схем элементов, выполняющих заданную функцию. Если известна структура ячейки и число компонентов в ней, то возникает задача наиболее пол­ ного использования возможностей ячейки для реализации функций. Для этого из множества РЛФ выбираются такие, число букв, определяющих управляющие сигналы, в ко­ торых равно числу транзисторов в ячейке. Оптимизация РЛФ по схемотехническим критериям позволяет полу­ чить формулы, описывающие схемы с максимальным бы­ стродействием, минимальным* числом транзисторов и опти­ мальной топологической структурой. Заметим, что в схе­ мах на КМДП-транзисторах оптимизированная структура

Рис. 6.7. Синтезированная схема D-триггера для библиотеки эле­ ментов:

С — сигнал синхронизации; Яр — сигнал управления приемом информации; Y — сигнал управления начальной установкой

схемы является общей как для прямой, так и для инверсной функции. В этом случае следует поменять в СФ /г-канальные транзисторы на р-канальные, а р-канальные на п-каналь- ные и изменить на противоположные информационные сигналы. Одновременно методом последовательных проб можно установить перечень функций, которые реализуются на одной, двух и т. д. ячейках матрицы.

Модификации схем обусловлены использованием вход­ ных логических переменных в качестве информационных сигналов и формализованных эвристических приемов.

При использовании методов синтеза для сравнительно сложных схем удается уменьшить число транзисторов в схеме по сравнению с типовыми реализациями. На рис. 6.7 приведена синтезированная схема D-триггера, в которой число транзисторов уменьшено по сравнению с базовой схемой (см. [90, с. 45]) за счет использования цепи восста­ новления нулевого уровня на входе главного (master) триггера и общей цепи начальной установки. Выигрыш по числу компонентов и площади на кристалле увеличивается с ростом числа разрядов.

Методы синтеза позволяют прогенерировать все опти­ мальные по схемотехническим критериям однокаскадные схемы ЛЭ от трех и четырех переменных, что составляет постоянный фонд схемотехнических решений для библиоте­ ки. Методы синтеза позволяют формализовать эвристичес­ кие приемы и ввести их в процедуру синтеза, что обеспе­ чивает получение модификаций схем с более совершенными характеристиками.

Наконец, при известных функциях библиотечных эле­ ментов могут быть найдены модификации схем и с помощью

программ анализа отобраны лучшие по электрическим ха­ рактеристикам.

Таким образом, разработанные методы синтеза являют­ ся основой для генерации новых рациональных схемотех­ нических решений, пополнение которыми библиотеки осу­ ществляется на основе сравнения характеристик с извест­ ными.

6.6. Выводы

Проектирование БИС на основе нескоммутированных логических матриц является перспективным методом соз­ дания заказных и полузаказных микросхем широкой номенк­ латуры, наиболее приемлемым для разработчиков структу­ ры и функционально-логических схем цифровых устройств.

Основными проблемами при использовании этого ме­ тода при проектировании БИС являются:

разработка конструкции логических матриц, способа размещения на них ячеек, способа прокладки трасс соеди­ нений, определения степени интеграции, пропускной спо­ собности каналов для трассировки, площади ячейки, экви­ валентной ширины каналов транзисторов;

выбор конструкции ячейки и числа компонентов в ней для реализации схем;

определение способа специализации матрицы и автома­ тизации этого процесса;

создание библиотеки элементов.

Библиотека содержит большое число функциональных, схемотехнических и конструктивных (топологических) мо­ дификаций элементов, что способствует повышению гиб­ кости и качества проектирования цифровых устройств.

Разработанные методы синтеза применимы для расши­ рения библиотеки и оптимизации схемотехнических реше­ ний по быстродействию, площади, числу компонентов, структуре топологических чертежей.

Методы синтеза используются для генерации канони­ ческого набора расширенных логических и схемотехничес­ ких формул всех комбинационных элементов их оптимиза­ ции, для синтеза элементов по заданным функциям с целью поиска новых решений, для определения схемотехничес­ ких решений, обеспечивающих полное использование всех транзисторов, создаваемых в ячейке логической матрицы. Использование методов синтеза обеспечивает формали­ зацию, автоматизацию генерации библиотечных элементов и улучшение их электрических характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Автоматизация проектирования сложных логических структур/В. А. Горбатов, В. Ф. Демьянов, Г. Б. Кулиев и др.: Под ред. В. А. Горбатова. — М.: Энергия, 1978. — 352 с.

тин. — Л.: Судостроение, 1979. — 262 с.

3.Алексенко А. Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфо­ логии микроэлектронной]] аппаратуры. — М.: Сов. радио, 1977. — 352 с.

4. Батанов Б. В., Ковригин Б. Н., Самбулаев А. М. Система ав­ томатизации проектирования цифровых устройств/МИФИ. — М., 1977. — 62 с.

5.Букреев И. Н., Мансуров Б. М., Горячев В. И. Микроэлектрон­ ные схемы цифровых устройств. — М.: Сов. радио, 1973. — 264 с.

6.Вавилов Е. Н., Портной Г. П. Синтез схем электронных циф­

ровых машин. — М.: Сов. радио, 1964. — 440 с.

7.Гаврилов М. А. Автоматизация проектирования. — Вестник АН СССР, 1976, № 12, с. 90—97.

8.Горбатов В. А. Теория частично упорядоченных систем. — М.: Сов. радио, 1976. — 336 с.

9.Горбатов В. А. Семантическая теория проектирования авто­ матов. — М.: Энергия, 1979. — 264 с.

ЮЛЛазарев В. Г., ПийльЕ. И. Синтез управляющих автоматов. — М.: Энергия, 1978. — 408 с.

11.Мелихов А. Н., Бернштейн Л. С., Курейчик В. М. Применение графов для проектирования дискретных устройств. — М.: Наука, 1974. — 305 с.

12.Морозов Б. В. Система автоматизации логического проекти­ рования, ориентированная на использование МОП БИС. — Изв. злектротехн. ин-та, 1978, №231, с. 10—15.

13.Овчинников В. В., Дшхунян В. Л., Чичерин Ю. Е. Проекти­ рование быстродействующих микроэлектронных лифровых

устройств. — М.: Сов. радио, 1975. — 288 с.

15.Поспелов Д. А. Логические методы анализа и синтеза схем. — М.: Энергия, 1974. — 368 с.

16.Рогинский В. Н. Построение релейных схем управления. — М., Л.: Энергия, 1964. — 423 с.

17.Якубайтис Э . А. Синтез асинхронных конечных автоматов. —»

Рига, Зинатне, 1970. — 326 cs

18.Кармазинский А. Н. Морфологический синтез элементарных ключевых схем, не потребляющих мощность в статическом ре-

жиме. — Микроэлектроника/Под ред. Ф. В. Лукина. — М.: Сов. радио, 1969, вып. 3, с. 188—209.

19.Валиев К. А., Кармазинскнй А. Н., Королев М. А. Цифровые интегральные схемы на МДП транзисторах. — М.: Сов. радио, 1971.—384 с.

20.Кармазинскнй А. Н. Элементарные структуры автоматов с временным хранением информации на МДП компонентах. —. Ядерная электроника/Под ред. T. М. Агаханяна. — М.: Атомиздат, 1975, вып. 5, с. 29—34.

21.Кармазинскнй А. Н. К вопросу о схемотехническом синтезе динамических элементов на МДП-транзисторах. — Тезисы докладов Всесоюзного совещания-семинара «Пути и перспек­ тивы развития автоматизации проектирования быстродейст­ вующих ЭВМ», Сочи, 1977, с. 78—79.

22.Кармазинскнй А. Н. Нелинейные схемы на полевых транзис-

торах/МИФИ, — М.: 1980. — 126 с.

23.Кармазинскнй А. Н. Теоретические основы синтеза принци­ пиальных схем логических элементов. — Электронная про­ мышленность, 1980, № 6, с. 52—57.

24.Кармазинскнй А. Н. Процедура синтеза принципиальных схем логических элементов. — Электронная промышленность, 1980, № 6, с. 58—63.

25.Кармазинскнй А. Н. Компоненты и элементы МДП-интеграль-

иых схем/МИФИ. — М.: 1981. — 104 с.

26. Кармазинскнй А. Н., Вереникин Г. Н., Дьяченко Ю. Г., Со­ ловьев А. И. Система автоматического синтеза логических эле­ ментов на МДП-транзисторах. — В кн.: Автоматизация про­ ектирования в радиоэлектронике и вычислительной технике/ МДНТП. — М., 1981, с. 53—57.

27. Дьяченко Ю. Г., Кармазинскнй А. Н. Схемотехнические реа­ лизации логических функций элементов на КМДП-транзисто- р а х .— Электронная промышленность, 1981, № 9, с. 17—20.

28.Алексенко А. Г. Синтез комбинационных цепей в универсальном базисе и его использование для оценки сложности цифровых структур с интегральными схемами. — Микроэлектроника/

Под ред. А. А. Васенкова. — М.: Сов. радио, 1973, вып. 6,

с.59—67.

29.Глориозов Е. Л., Ссорин В. Г., Сыпчук П. П. Введение в авто­ матизацию схемотехнического проектирования. — М.: Сов. радио, 1976. — 224 с.

30.Глориозов Е. Л. Морфологический синтез нелинейных логи­ ческих схем. — Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1977, т. 20, № 6, с. 79—85.

31.Глориозов Е. Л. Метод структурного схемотехнического син­ теза электронных схем. —»Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлек­

троника, 1979, т. 22, № 6, с. 7—13.

32. Глориозов Е. Л. Информационно-поисковая система для струк­ турного синтеза логических электронных схем. — Изв. вузов

СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1978, т. 21, № 6, с. 17—23.

33.Шагурин И. И. Схемотехнические принципы, элементная база

иособенности проектирования цифровых БИС и сверх-БИС

на биполярных транзисторах. — Микроэлектроника, 1978,

т.7, вып. 2, с. 99—112.

34.Шагурин И. И. Основы формального схемотехнического син­

теза цифровых микросхем на биполярных транзисторах. — Микроэлектроника, 1979, т. 8, вып. 2, с. 114—130.

35.Шагурин Й. Й. Синтез цифровых микросхем эмиттерно-связан- ной логики на базе токовых функциональных элементов. — Микроэлектроника, 1979, т. 8, выи. 3, с. 195—206.

36.Шагурин И. И. Формализованные методы схемного и структур­ ного проектирования как средство повышения быстродействия, экономичности и степени интеграции цифровых биполярных БИС: Дисс. докт. техн. наук/МИФИ. — М., 1981.

37.Автоматизация поискового конструирования: Тезисы докл. первой Всесоюзн. конф. — Йошкар-Ола, 1978. — 270 с.

38.Дворянкин А. М.у Половинкин А. И., Соболев А. Н. Методы

синтеза технических решений. — М.: Наука, 1977. — 104 с.

39.Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирова­ ние: Пер, с англ./Под ред. В. Ф. Венды, В. М. Муникова. — М.: Мир, 1976. — 374 с.

40.Ф и л и п п о вА. Г . Транзисторные динамические элементы ЦВМ.—

М.: Сов. радио, 1969. — 166 с.

41.Караханян Э. Р. Динамические элементы ЭВМ со структурой МДП. — М.: Сов. радио, 1979. — 256 с.

42.Миллер Р. Теория переключательных схем. T. I. — М.: Наука, 1970. — 416 с.

43.Кармазинский А. Н. Математические основы представле­ ния топологических чертежей. — Микроэлектроника/Под ред. А. А. Васенкова. — М.: Сов. радио, 1974, вып. 7, с. 90—100.

44.Кармазинский А. Н., Округин И. А., Соловьев А. И. Способ проектирования мнкротопологии. — Ядериая электроника/

Под ред. T. М. Агаханяна. — М.: Атомиздат, 1979, вып. 10,

с. 20—25.

45.Ильюшенко Ю. М. Микромощные цифровые интегральные схе­ мы на основе дополняющих МОП-транзисторных структур/ ЦНИИ Электроника. — М., 1970. — 52 с.

46.Hill J . О., Pederson D . О., Pepper R. A. Sinthesis of electronic bistable circuits. — IEEE Trans., 1963, v. CT-10, № 1, p. 25— 35.

47.Medwin A. H., Zuk B. Using MOS transistors in integrated swit­

ching circuits. — Electronic Design, 1964, dec. 7, p. 74—80.

48.Плеханов С. П. Обобщенный метод синтеза асинхронных и син­ хронных интегральных триггерных структур. — Микроэлек­ троника, 1974, т. 3, вып. 4, с. 283—292.

49.Агаханян T. М., Плеханов С. П. Интегральные триггеры уст­

ройств автоматики. — М.: Машиностроение, 1978. — 368 с.

50.Плеханов С. П. Синтез однофазных и несимметричных парафазных интегральных триггеров.—Электронная техника. Сер. 10. Микроэлектронные устройства, 1977, вып. 4, с. 3—8.

51.Плеханов С. П. Проектирование триггерных структур с помо­ щью сокращенной таблицы состояний. — Электронная техни­

ка. Сер. 10. Микроэлектронные устройства, 19 77, вып. 4, с. 9—

12.

52.Плеханов С. П. Синтез триггерных систем. — Радиотехника, 1981, т. 36, № 9, с. 12—20.

53.Плеханов С. П. Синтез многостабильных, многофазных, с мно­

говходовым управлением систем. — Радиотехника, 1982,

т.37, № 4, с. 6—14.

54.Мищенко В. А., Козюминский В. Д., Семашко А. Н. Много­ функциональные автоматы и элементная база цифровых ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1981. — 240 с.

76.Будинский Я. Логические цепи в цифровой технике. М.: Связь, 1977. — 392 с.

77.Многофункциональные регулярные вычислительные структуры/Е. П. Балашов, В. Б. Смолов, Г. А. Петров, Д. В. Пузан­ ков. — М.: Сов. радио, 1978. — 288 с.

78.Балашов Е. П., Кноль А. И. Многофункциональные запоми­ нающие устройства. — Л.: Энергия, 1972. — 143 с.

79.Пат. 3769523 (США). Logic circuit arrangement using insulated gate field-effect transistors/Yasoji Suzuki. 1972.

80.Пат. 1300495 (Великобритания). Logic circuit arrangement using insulated gate field-effect transistors/Yasoji Suzuki, 1972.

81.A. c. 627593 (СССР). Логический элемент/А. H. Кармазинский. — Опубл. в Б. И., 1978, №37.

82.А. с. 656214 (СССР). Логический элемент ИЛИ—НЕ/А. Н. Кармазинский. — Опубл. в Б. И., 1979, № 13.

83.А. с. 656213 (СССР). Логический элемент И —НЕ/А. Н. Карма-

зинский — Опубл. в Б. И., 1978, № 13.

84.А. с. 627594 (СССР). Логический элемент/А. Н. Кармазин-

ский. — Опубл. в Б. И., 1978, № 37.

85.А. с. 736377 (СССР). Многофункциональный конъюнктивноинверсный логический элемент/А. Н. Кармазинский. — Опубл.

в Б. И., 1980, № 19.

86. А. с. 680173 (СССР). Логический элемент/А. Н. Кармазин­ ский.— Опубл. в Б. И., 1979, № 30.

87.Пат. 3602732 (США) Exclusive and/or circuit devicei/Yasoj Su­ zuki, 1971.

88. Файзулаев Б. Н. Проблема быстродействия элементной базы ЭВМ. — Микроэлектроника и полупроводниковые приборы/ Под ред. А. А. Васенкова, Я. А. Федотова. — М.: Радио и связь, 1981, вып. 6, с. 3—24.

89. Файзулаев Б. Н., Первое А. С. Взаимосвязь предельного бы­ стродействия и степени интеграции БИС. — Микроэлектрони­ ка и полупроводниковые приборы/Под ред. А. А. Васенкова, Я- А. Федотова.—М.: Сов. радио, 1979, вып. 4, с. 149—157.

90.Алгошин М. В., Кармазинский А. Н., Кулагин Ю. А., Салгус

К.К. Состояние и перспективы развития базовых кристаллов цифровых БИС на МДП-транзисторах. — Обзоры по электрон­

ной технике. Сер. 3. Микроэлектроника/ЦНИИ Электро­ ника.— М., 1981. — вып. 5 (824), 54 с.

91. Пупин А. А., Разумов Ю. И. Базовые кристаллы и тенденции их развития. — Зарубежная электронная техника, 1979, № 8,

с. 3—44.

92.Поса Дж. Вентильные матрицы: современное состояние техни­ ки и технологии. — Электроника, 1980, т. 53, № 21, с. 54—74.

93. Алексенко А. Г., Кармазинский А. Н. Современное состояние и перспективные пути создания крупномасштабных схем на МДП-транзисторах. — Микроэлектроника/Под ред. А. А. Ва­ сенкова. — М.: Сов. радио, 1973, вып. 6, с. 67—87.

94.Преснухин Л. Н., Немудрое В. Г., Пупин А. А., Мишкевич А.ГА. Сверхбыстродействующие БИС, реализуемые на базовом кри­ сталле.—Микроэлектроника и полупроводниковые приборы/ Под ред. А. А. Васенкова, Я- А. Федотова. — М.: Сов/радио, 1977, вып. 2, с. 94—104.

95.Разумов Ю. И., Пупин А. А., Курочкин В. Г. Выбор функцио­ нального состава ячейки базового кристалла. — Микроэлек­ троника и! полупроводниковые приборы/Под ред. А. А. Ва-