1.5. Этапы проектирования бис

При проектировании сложных технических систем (СТС) (в т. ч. БИС и других изделий микроэлектроники) используется блочно-иерархический подход. При блочно-иерархическом подходе процесс проектирования разделяется на уровни (этапы). На высшем уровне используется наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты проектируемой системы. На каждом низшем последовательном уровне проектирования степень подробности рассмотрения возрастает, при этом система рассматривается не в целом, а отдельными блоками, как правило, функционально законченными. Такой подход позволяет на каждом этапе формулировать и решать задачи приемлемой сложности, поддающиеся пониманию одним человеком.

Основное достоинство блочно-иерархического подхода состоит в том, что сложная задача большой размерности разбивается на последовательно решаемые задачи меньшей

размерности. При блочно-иерархическом подходе на каждом уровне абстракции имеются свои представления о системе и элементах. То, что на одном уровне называлось элементом, становится системой на следующем уровне. При проектировании сложных систем используются так называемые нисходящее или восходящее проектирование или их комбинации. Суть нисходящего — от общих требований к системе к технологическому процессу изготовления, а при восходящем — наоборот.

Проектирование современных СТС, в том числе и систем на кристалле (SoC), включает следующие уровни (этапы):

• системный (процессор — память — коммутатор, ППК);

• микросхемный;

• регистровый;

• логический;

• схемотехнический;

• топологический;

• компонентный.

Целесообразно разделить их на следующие группы уровней (этапов) проектирования:

• 1 — компонентный, топологический, схемотехнический — сфера интересов только проектировщика ИС,

• 2 — микросхемный, системный — сфера интересов только разработчика аппаратуры,

• 3 — логический, регистровый, микросхемный — сфера интересов обеих сторон.

В работе введено понятие, связанное с указанной иерархией, — это так называемое окно проекта. Этим термином обозначается группа уровней (этапов проекта), с которыми работает каждый конкретный проектировщик. В данном разделе рассматриваются этапы, входящие в окно проектировщика БИС.

1.5.2. Логическое проектирование

Процесс проектирования БИС, номенклатура которых определяется при разработке конкретной РЭА, отличается от проектирования МИС и СИС тем, что разработке принципиальной электрической и топологической схем предшествует этап логического проектирования. Логическое проектирование БИС заключается в составлении функциональных схем БИС. Компонентами функциональной схемы являются элементарные блоки, образующие логический базис проекта. Задачей логического синтеза, например, функционального узла ЭВМ, является выбор базиса логических элементов (ЛЭ) для построения различных БИС и соединение их между собой так, чтобы осуществлялось заданное функционирование. На этапе логического проектирования необходимо учитывать особенности выбранных ЛЭ и их технической реализации, т. е. учитывать схемотехнику, топологические и технологические ограничения, а также решать следующие взаимосвязанные задачи: логический синтез, логическое моделирование БИС на уровне ЛЭ, синтез контролирующих и диагностических тестов. Синтез логических схем может производиться как автоматически по структурной схеме (или по описанию поведения схемы) в заданном логическом базисе, так и вручную. В обоих случаях САПР поддерживает этот этап средствами логического моделирования. Логическое моделирование на ЭВМ выявляет ошибки в схеме, позволяет оценить правильность временных соотношений, минимизировать число ЛЭ, оптимизировать перечень и состав частей (блоков) системы. Проверка функционирования логической схемы включает анализ логических функций, реализуемых схемой, и временных соотношений (наличие критических путей, рисков сбоя и состязаний сигналов). Проверка реализуемых схемой логических функций выполняется путем прогонки теста, т. е. моделирования работы схемы при некотором наборе входных сигналов. При этом нужно в заданные моменты времени сравнивать полученные при моделировании значения выходных сигналов с параметрами спецификации (ТЗ).

Аппарат логического моделирования работает со следующими объектами:

• с представлениями логических элементов;

• с межсоединениями этих элементов (списками цепей);

• с наборами булевых выражений и

• с описаниями временных характеристик элементов.

На уровне логического проектирования БИС и цифровой аппаратуры с помощью аппарата моделирования решаются следующие задачи:

1) Проверяется логическая структура БИС или цифровой электронной аппаратуры до этапа его технологического воплощения.

2) Сравниваются характеристики различных вариантов схемных решений.

3) Проверяется правильность и полнота процедур тестового контроля БИС и цифровой аппаратуры.

4) Получается детальная информация о функционировании схемы с учетом временных характеристик элементов логического базиса и межкомпонентных соединений.

Общая схема процесса логического моделирования приведена на рис. 1.6.

Процесс логического моделирования состоит из двух шагов: обработка логического описания устройства БИС и собственно моделирование. Входные данные, описывающие логику цифрового устройства, преобразуются и совмещаются с заранее записанными данными с целью построения модели логической схемы и при этом, как правило, происходит обращение к справочному каталогу (библиотеке) заранее разработанных логических элементов. Формы входных сигналов могут меняться в широких пределах, начиная от явно заданных во времени значений и кончая сигнальными последовательностями произвольно-сложной конфигурации. В качестве входных данных поступают также сведения о начальном логическом состоянии схемы и специальные условия (например, сведения о возможных неисправностях, необходимые для описания реальных ситуаций). Описания логической схемы и условий моделирования могут быть изменены независимо друг от друга, что позволяет исследовать различные варианты схем при одинаковых условиях или, наоборот, одну схему при разных условиях. На печать выводятся диаграммы, показывающие состояния выбранных элементов в моделируемые моменты времени. Таким образом, логическое моделирование включает:

• построение модели логической схемы;

• выполнение вычислений на модели для последовательности дискретно изменяющихся во времени двоичных входных сигналов.

Входной язык должен обеспечивать проектировщику возможность полного и прямого описания логической схемы. Входные языки большинства систем логического моделирования используют описание элементов цифровой логики и их связей системой булевых уравнений. Обычно такое описание строится на уровне логических элементов микросхем — интегральных триггеров, полусумматоров, регистров и т. д.