6. Кристаллдағы жүйелерде сигналдардың байланысы және синхронизация
Сигналдардың байланысын қамтамасыз ететін жалғыз және әмбебап әдіс жоқ. Жүйедегі сигналдарға талаптардың әрбір жиынтығы үшін және оны жүзеге асыру үшін элементтердегі біртексіздік және кедергілермен өзінің кұрес құралдарының жиынтығы құрастырылады. Жобаның әрбір кезеңінде сигналдардың байланысын қамтамасыз ететін өзінің құралдары қолданылады, және барлық кезеңдер осы процессқа әсер етеді. Шу және сигналды бұрмалау проблемалары 4 бөлімде бөлшектеп қарастырылған.
Жүйелік жобалау кезеңінде сигналдар синхронизациясын қамтамасыз ету
КЖ архитектуралық жобасын жасағанда артықшылық жоғары жиілікті сигналдарды бір уақытта бірнеше блокқа жіберуді талап етпейтін нұсқаларға берілу керек. Конвейерлік реттелген өңдеуді және мәліметтерді жіберудің асинхронды хаттамасын қолдану ұтымды. Жүйелік синхросигнал жиілігін төмендету үшін әрбір үлкен блокта синхронизацияның жергілікті жүйесін қолдану эффективті.
Сигналдарға спецификацияларды дайындау тұрақсыздандырылған факторлар әсерінің есебімен жүргізілу керек. Сандық блоктар үшін бұл технологиялық көрсету және вентильдер тоқтауының қысқа уақыттық тұрақсыздығы. Аналогтық блоктар үшін сигнал/шу қатынасының өзгеруі.
Импульс фронтының ұзықтығына және тоқтауға қойылатын талаптар максималды да, минималды да мүмкін мәндерді қосу керек. Қажеттіліксіз жеке блоктар мен тізбектердің тез әрекет етуін арттыру қажет емес, себебі ол пайдаланылатын қуатты арттырады және жүйеде қосымша кедергілер тудырады.
Блоктар арасындағы ұзын байланыстар шиналарға бірігеді. Байланыстың кедергіге тұрақтылығы сигнал энергиясына және кедергі деңгейіне байланысты. Шинадағы қиылысқан кедергілер деңгейін төмендетуге болады, логикалық деңгей айырмасын азайта отырып.Сигнал энергиясын арттыруға болады, төмен Омды жүктемелерді қолдана отырып. Сигналдың ең жақсы сапасына жүктеме кедергісі желінің толқындық кедергісімен сәйкес келетін келісілген байланыс желілерінде қол жеткізіледі. Бірақ жоғалтуы аз және толқындық кедергісі 100Ом-нан артық байланыс желілерін құру қиын. Драйверлардың қисынды қуаты кезінде (1мВт-тан артық емес) келісілген желіде логикалый деңгей айырмасы өте аз болады. Кристаллдағы келісілген байланыс желісінде бір токты драйвер және бір ғана трансимпедансты кіріс күшейткіші қолданыла алады. Бірақ сигналды таратқыш пен қабылдағыш желімен келісім орнатпаған жағдайда да аз омды жүктеме байланыс желісінің кедергіге қарсы тұруын айтарлықтай арттырады.
Функционалдық жобалау кезеңіндегі сигналдарды синхронизациялауды қамтамасыз ету
Бұл кезеңде тез әрекет етушілік пен кедергіге қарсы тұрушылықтың ортақ оңтайландыруы жүргізіледі. Блоктар мен жүйелерді модельдеу жалпы өткізгіш параметрлерін ескере отырып жүргізіледі. Топологиясы болмайтын және өткізгіш параметрлерінің нақты мәндері белгісіз болатын, модельдеудің бірінші кезеңінде өткенде аяқталған жобалардың орташаланған мәндері қолданылады.
Негізінде сандық құралғылар күйлерінің ақырғы саны бар автомат ретінде жүзеге асырылады. Мәліметтер синхросигнал (СС) бойынша күй регистріне бекітіледі және синхронизация сәттерінің арасындағы аралықтарда комбинациялық тізбек бойынша таралады. Сигналдардың байланыс анализі диагармма «көзін» қолданумен орындалады. Диаграмма «көзіне» бірден барлық күй регистрі кіріс импульстарының, синхросигналды қоса отырып, уақытша диаграммасы құрылады. Диаграмма кіріс сигналдарының мүмкін болатын барлық тоқтау ауытқуларын ескерумен жасалады. Егер алынған графикта «көз» қалса, яғни ешқандай кіріс сигналдарының ауыстыруы болмайтын уақыт аралығы бар, онда жүйк жұмысқа қабілетті болады. График бойынша керек болатын орнату уақыты және күй регистрінің кіріс импультарының тоқтауы анықталады. Синхросигнал периоды орнату мен тоқтаудық қосылған уақытынан көп болу керекті анық. «Көз» енінің синхросигнал периодына қатынасы жүйенің кедергі мен сыртқы әрекеттерге орнықтылығын анықтайды. 0.5-тен көп қатынас жақсы деп есептеледі.
Мәліметтерді жіберу шиналарындағы тоқтауды түзету үшін кері байланыс элементтері бар бейімделген драйвер, сонымен бірге сигнал формасының регенераторы қолданылады. «Түймедақ шірі» деп аталатын регенерация әдісі жиі қолданылады, онда осы шинаға қосылған кіріс блоктарында сигалдардың қайталағыш-регенераторлары тұрады.
Синхронизация сигналдары үшін олардың күй регистріне бір уақытта әрекет етуімен бірге, таңдалған триггер типіне арналған сыни өлшемнен артық болуы керек, фронттар ұзақтығы да маңызды. Тоқтауларды түзету және фронтты қалыптастыру үшін негізінде синхрондау тізбегі «ағаш» үлгісінде жасалады. Логикалық элементтер алып жатқан сандық блок немесе кристалл ауданы квадранттарға бөлінеді. Әрбір квадрант қайтадан ұсағырақ квадранттарға бөлінеді және т.с.с. Синхрондау тізбегінің түпкі драйвері кристалл немесе блок центрінде орналасады. Бұл драйвер үлкен квадранттардың центрінде орналасқан екінші қабаттың төрт драйверін басқарады. Ары қарай сигнал кіші квадранттар центрлерінде орналасқан үшінші қабат драйверлеріне барады және т.с.с. Қажет болатын қабат саны схема қиындығымен және драйвердың жүктемелік қабілетімен анықталады. Әрбір ярустағы өткізгіш ұзындықтары мүмкіндік бойынша түзетіледі. Синхросигнал фронт импульстарының тоқтауларын минималды шашуды қамтамасыз ететін бірдей элементтер мен байланыс желілері арқылы қорек көзінен әрбір триггерға дейін жетеді.
Физикалық жобалау және верификация кезеңіндегі синхронизациямен қамтамасыз ету
КЖ-ні физикалық жобалау кезіндегі сигналды синхронизациялауды қамтамасыз ететін басты әдіс – бұл өткізгіштің шын параметрлері мен элементтерді орналастыруда ескеретін жүйені модельдеу. Электр схемасында өткізгіштер жинақталған R-L-C параметрлі көп секциялы модельдермен алмастырылады. Шын топология негізіндегі өткізгіш модельдерінің параметрлерін есептейтін бағдарламалар бар. Жинақталған параметрлі модельдердегі өткізгіштер арасындағы қиылысқан электромагниттік байланыстар негізінде ескерілмейді. Қиылысқан байланыстарды ескеру үшін жасаушы өзін қызықтыратын өткізгіштер тобын (мысалға, трансформатор) белгілеп және арнайы электромагниттік симуляторды қолдану арқылы модель параметрлерін анықтауы қажет. Осыдан кейін схемадағы барлық белгіленген өткізгіштер модельдерін бір жаңа байланыстыратын өткізгіштер моделінің тобымен алмастырады. Модельдеу қорытындысы бойынша, электр схемасы мен топологияның ортақ оңтайландырылуы жүргізіледі. Сандық құрылғылардың топологиясы мен схемасын автоматты ортақ оңтайландыруда жүргізетін бағдарламалар да бар.
Бірақ, КЖ-ні бірге модельдеуді жүргізуге дейінгі толықтай жүйелер мен блоктардың топологиясы анықталған ереже бойынша жасалады. Бұл ережелерді сақтау топологияны жасау кезіндегі итерация санын қысқартады және тиімді қорытындыға қол жеткізуді қамтамасыз етеді.
Синхронизация және қорек көзі тізбектеріне үлкен назар аударылады. Қорек көзі тізбектерінің кедергісі орташа емес, максималды токтың үдемелі кезіне есептелген. Негізінде жүйенің үдемелі кездегі тогына синхрондау импульсының жұмыс фронтынан кейін қол жеткізіледі. Үдемелі кездегі ток үшін қорек көзі шинасындағы және «ортақ» кернеу құлауының қосындысы логикалық айырым деңгейінің 10%-ынан аспауы керек. Шинадағы кернеу құлауына тек қана кедергі емес, индуктивтілік те әсер етеді. Қорек көзі шинасы мен «ортақ» индуктивтілікті төмендету үшін оларды мүмкіндігі бойынша бір-біріне жақын орналасытарды. Осы шиналардағы токтар қарама-қарсы ағуы керек, яғни қарама-қарсы бағыттарда. Бұл үшін «қорек көзі» және «ортақ» байланысатын аудандар бірге қос-қостан және кристалл периметрі бойынша біркелкі орналасуы керек. Ғаламдық қорек көзі тізбектері кристалл периметрі бойынша сақинаға бірігеді. Блок ішінде негізінде элементтерді ықшам орналастыруға қолайлы, қорек көзі шиналарының қарсы бұдыр құрылымы қолданылады. Топологияны жасау кезінде қорек көзі тізбектері бірінші орында қалыптасады.
Екінші кезекте синхрондау «ағашы» айырылады. Басқа сигналдық өткізгіштер болмағанда "ағаштың" әрбір қабатында байланыс желілерінің параметрлерін түзету жеңіл.
Қалған сандық элементтердің автоматты және жартылай автоматты жол тарту үшінші кезекте орындалады. Және автоматты жол тарту бағдарламасында қысқа жолмен тексерілетін, мысалы, ең жоғары жиілікті сигналдар үшін, басым байланыс желісін көрсетуге болады.
Егер сандық блоктар тек әртүрлі автоматты бағдарламалық құралдарды қолданумен жобаланса, онда аналогты блоктардың топологиясын жобалауда автоматты құралдар шектеулі қолданылады. Аналогты элементтердің әртүррлі параметрлері олардың топологиясы қатты байланысты, және бұл параметрлер жиынтығын тек жасаушы ғана оңтайландыра алады.
Аналогтық блоктардың топологиясын жасау кезінде екі басты мәселе шешіледі: жүйелік шулар деңгейінің төмендеуі және элемент параметрлерінің біртектілігін жақсарту. Бұл мәселелер толық 4 бөлімде сипатталған.
Жобаны куәландыру, өнімді өндіру және оларды қолдану кезеңіндегі сигналдардың байланысы мен синхронизациясын қамтамасыз ету
Электронды жүйенің жаңылусыз сенімді жұмыс істеуіне арналған барлық алғышарттар оның дайындалу кезеңінде қойылады. Бірақ кез-келген қолдану шарттарында жұмысқа қабілетті және кез-келген технологиялық элементтер параметрлерінің шашуына орнықты жүйені құру мүмкін емес. Жүйе өндіру мен қолдану шарттарына қатал болатын талаптарды орындағанда ғана сенімді және жұмысқа қабілетті болады. Бұл шарттар жобаны куәландыру кезеңінде анықталады. Өндіру және пайдалану шарттары шектеулердің жалпы жиынтығын құрайды. Мысалы, өнімді пайдалану шарттарын, олардың өндіріс проессіндегі осы шарттарға сәйкес жұмысқа қабілеттілігін бақыламай, өзгертуге болмайды.
Күрделі функционалды микросхемалардың шуға, кедергіге және физикалық құраламның біртексіздіктеріне сезімталдығы жоғары. Бұл ерекшеліктер өнімді куәландырудың техникалық рәсімін және сенімді бас тарту өлшемдерін орнатуды қиындатады. Бірақ, куәландыру, өндіру және пайдалану кезеңдеріндегі сапаны қамтамасыз етудің ұйымдық әдісі кез-келген қиындықтағы микросхемаларға бірдай болып қалады.
КФ-блоктар үшін синхрондау астындағы жүйелердің элементтері
КЖ жобалау маршруты КФ-блоктарды қайта жасауды ескермейтіндіктен, әрбір КФ-блок өзінің синхрондау астындағы жүйесі болуы керек. КФ-блоктағы синхрондау астындағы жүйенің функциялары кез-келген синхронды микросхемалардағыдай. Бұл қорек көзін қосқан кездегі құралғының бастамашылық етуі, синхросигналдарды бөлу жіне генерациялау, мәліметтердің шығыс шиналарындағы тоқтауларды түзету және кірістегі мәліметтерді қалпына келтіру. КЖ құрамында КФ-блоктардың біріккен жұмысына мәліметтер жіберудің асинхронды хаттамасын жүзеге асырумен немесе синхросигналды мәліметтермен бірге бір шина бойымен бір блоктан екіншісіне жіберу кезінде қол жеткізіледі. КЖ ішкі шиналарымен жұмыс істеу үшін КФ-блоктарының құрамына ішкі интерфейстар мен синхрогенераторлар енгізіледі. Баспа платаларындағы жүйелер сияқты КЖ-де де барлық КФ-блоктарға салыстырмалы түрде төмен жиілікті тірек синхросигналдары параллельді бөлінеді. Жоғарғы жиілікті синхросигналдар КФ-блоктарының ішінде өзінің синхрогенераторларымен өндіріледі немесе кіріс мәліметтер ағынындағы ішкі интерфейстермен қалпына келеді. Тәуесіз жергілікті синхрондау, әртүрлі КФ-блоктардағы элементтер ауысуы әртүрлі уақытта жүретіндіктен, жалпы қорек көзі тізбектеріндегі кедергі дәрежесін төмендетеді.
КФ-блоктар үшін синхрогенераторлар
Сандық және аналогты-сандық КФ-блоктар үшін синхрогенератордың электрлі параметрлеріне деген талаптары негізінде өте қатал емес. Басты проблема синхрогенераторды дәстүрлі жобалау маршруты жиілікті фазалық автоүндестіру мен төменгі жиілікт R-C фильтрлерді қолдануылатын аналогты басқару әдістері қағидасын қолдануға негізделгенінде болып тұр. Сонымен бірге R-C фильтрлері кристаллда үлкен аумақты алады немес микросхема шығыстары арқылы сырттан қосылады. Он жергілікті синхросигналдары бар КЖ үшін платада 30-дан кем емес сыртқы құрауыш, 20 қосымша корпус шығыстары немесе кристалл ауданын 2-3 есеге арттыру қажет болады. Сонымен бірге өнімнің технико-экономикалық көрсеткіштері қатты нашарлайды. КФ-блоктар үшін сыртқы құраушылары болмайтын төменгі жиілікті сандық шағын фильтрлар қолданылатын синхрогенераторлардың жаңа схемасы қажет.
Сандық жиіліктің фазалық автоүндестіруі бар синхрогенератор құрылымын таңдаудың басты өлшемі – джиттер деп аталатын (jitter – кету, «қалтылдаған» жиілік) – қысқа уақытты тұрақсыз жиіліктің талап етілген өлшемі болып табылады. Сандық жүйе дискретті жұмыс істейтіндіктен, джиттер генератор ауысуының (бақылайтын басқару жүйесінің кіші разрядының бірліктері) бір дискретінен аз болуы мүмкін емес. КЖ құрамындағы КФ-блоктар үшін джиттер 3-5% болатын синхросигналы бар болғаны жеткілікті. Бұл сандық жүйелер үшін қарапайым өлшем. Құрылымды таңдаудың екінші өлшемі синхросигналдың берілген номиналды жиілігі болып табылады.
Бейімделген драйвер
Сигналды өткізгіштердегі импульстардың тоқтауы электромагнитті толқынның жылдамдығымен, өткізгіштің RC-тұрақты уақытымен және драйвердің шығыс кедергісімен анықталады. КЖ кристаллдарды құрастыру мен жол тарту үшін ең ұзын және жауапты сигналдық тізбектер (синхросигналдар және мәліметтердің жүйелік шиналары) кері масштабтау қағидасына сәйкес жүзеге асырады. Өткізгіштер ұзын болған сайын кең болады, ал металлизация деңгейінің арасындағы ауысатын терезелер кедергіні азайту үшін қайталанады. Бұндай конструкцияда өткізгіштің RC параметрлері мен электромагниттік толқынның жылдамдығымен байланысты импульс тоқтауы 1мм ұзындыққа 10пс-тан аспайды. Өткізгіштің шашыранды сыйымдылығы 1мм ұзындыққа 100÷150 фФ құрайды. Драйвердың шығыс кедергісі 100Ом және одан көп болғанда, импульс тоқтауы драйвердің жүктемелік қабілетімен анықталады. Драйвердың шығыс кедергісінің үлгілік өлшемі – 1кОм.
КЖ-дағы КФ-блоктардың синхронды жұмысы байланыс желілеріндегі сигнал тоқтауының белгілі шектеулері кезінде қамтамасыз етіледі. Байланыс желілеріндегі сигнал тоқтауын басқарудың мүмкін болатын үш нұсқасы бар: драйвер қуатының артық өсуі, сигналды қайталаушыларды қолданып, байланыс желілерін буферлеу және КФ-блоктар шығысында бейімделген драйверлерді қолдану. Бірінші нұсқа қолданылатын электр қуатының елеулі артуын талап етеді. Екінші нұсқа техникалық құрастырылған және сигналды өткізгіштер өрісінде қайталаушылардың бөлек қорек көзі жүйесін құруды талап етеді. Қолайлы деп үшінші нұсқаны есептеуге болады, ол минималды қажет қуат драйверін және КФ-блоктар арасындағы аралықтарда қосымша активті элементтердің жоқтығын қамтамасыз етеді.
Бейімделген драйвердің жұмыс істеу қағидасы жүктеме сыйымдылығына тәуелсіз КЖ-да КФ-блоктарының арасындағы бірдей фронттарды және оған сәйкес сигналдарды таратудың тоқтауын құруда.
КЖ-да КФ-блоктар арасындағы сигналдарды тарату проблемасын шешу үшін басқарылатын импедансы бар бейімделген драйвер құрылымын жасау керек, 6.1 сурет.
Басқарылатын шығыс импедансы бар драйвер реверсивті есептеуіш пен үшінші күйдегі басқарылатын терістейтін буферда жасалған. Схемада эталондық фронтты қалыптастыратын тірек элемент физикалық тұрңыдан бар. Тірек элементке ең аз жүктемелік қабілетті драйвер және эталонды сыйымдылық жүктемесін (C_эталон) қосады. Осындай шығыс фронтын бейімделген драйверға сыртқы жүктемеге (C_жүктеме) тәуелсіз құрастыру қажет. Минималды жүктемелік қабілеті бар бір драйвер үнемі сыртқы жүктемеге қосылған, ал қалғандары басқару сигналына байланысты қосыла немесе ажырата алады. Инвертор блок кірісінде эталондық драйвер мен эталондық жүктемеге және өзгеретін жүктемелік қабілеті бар драйвер кірістеріне бір уақытта әртүрлі жолдармен келетін сигналды қалыптастырады. Эталондық және жұмыс каналдарының шығысында біз эталондық (C_эталон) және сәйкес белгісіз (C_жүктеме) сыйымдылыққа жүктелетін сигналдарды аламыз. Бұл екі сигнал фазалық детектор кірісіне беріледі. Фазалық шығыстар сигналдар өзгеретін жүктемелік қабілеті бар, драйверлар матрицасын басқаратын, кодты құрастыратын, реверсивті есептеуішке келіп түседі. Код сәйкес драйверлер тобын жоғары импедансты күйге ауыстырады немесе активтендіреді. Ақыры жүйеде баланс орнайды, яғни басқарылатын сигналдың тоқтауы эталондық тоқтауға тең болады. Берілген жүйе сандық болғандықтан, икемдеу дәлдігі басқарушы кодтың кіші разрядына әсер ету деңгейінде қалады. Алдын-ала белгісіз жүктеме сыйымдылығы эталондықтан аз болуы мүмкін емес. Фазалық детекторы бар бейімделген драйвердің реттеу диапазоны басқарушы кодтың разрядтығымен анықталады. 6.1 суретіндегі схемада 5-разрядты реверсивті есептеуіш қолданылады – сәйкесінше жүктеме сыйымдылығының мүмкін болатын өлшемі 32 рет өзгере алады.
Блоктарды инициализациялау (бастапқы орнатуларды)
КЖ-дағы сандық блоктардың дұрыс жұмысы үшін бастапқы уақыт кезіндегі (қорек көзін қосқан кезде) орнату сигналын ескеру қажет.
Инициализация жүйесі негізінде бөлек КФ-блокпен жүзеге асырылады. КЖ-да жалпы жағдайда жүйе жұмысының бастапқы кезіндегі сыртқы сигнал тастауы қарастырылмаған. Инициализация схемасы тірек жиілігінің генераторымен бірігуі мүмкін, онда бастапқы орнату сигналы қорек көзі (схеманы қосқан кезде) кернеу өскенде пайда болады, және тірек синхросигналының бірінші импульсында тасталады.
Активті деңгейдегі бастапқы орнату сигналы КЖ-дағы рұқсат етілмеген синхросигналды оқшаулайды. Табалдырықты құрылғы тірек генераторының шығысында бастапқы орнату сигналын алады, және тірек синхросигналды, тіректі жиілікті тірек кварцты генераторында қорек көзі кернеуі пайда болғаннан кейін ғана, бірнеше микросекундтан кейін жіберіледі. Осылайша, синхроимпульстар бастапқы орнату аяқталғаннан, ал тірек жиілігінің генераторы стационарлы жұмыс режимына кіргеннен кейін ғана, КЖ тактті элементтер кірісіне келе бастайды.
6.1 сурет. Басқарылатын шығыс импедансы бар бейімделген драйвер құрылымы