Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра микро-и наноэлектроники

А.Г. Черных, Д.В. Елманов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МИКРОСХЕМ НА ПЛИС

Лабораторный практикум

по дисциплине

«Микросистемотехника»

для студентов специальностей

1-41 01 02 «Микро- и наноэлектронные технологии и системы» и

1-41 01 03 «Квантовые информационные системы»

всех форм обучения

Минск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Y

2 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ 3

3 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛИС 3

3.1 Специализированные СБИС 3

3.2 ПЛИС 5

3.3 Классификация логических микросхем программируемой логики 6

3.4 Классификация по архитектурному признаку 7

3.5 Классификация по уровню интеграции 14

3.6 Классификация по типу теневой памяти 16

16

3.7 ПЛИС фирмы Altera 19

4 ИЗУЧЕНИЕ ПРОГРАМНОГО ПАКЕТА MAX+PLUS II 20

4.1 Преимущество ПЛИС 20

4.2 САПР фирмы Altera 21

4.3 Система MAX+Plus II 22

4.4 Ввод описания проекта 23

4.5 Сохранение, проверка и компиляция проекта 31

4.6 Функционально моделирование 32

4.7 Редактор базового плана кристалла 36

4.8 Временной анализ 37

5 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ 38

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 50

ПРИЛОЖЕНИЕ 51

ЛИТЕРАТУРА 52

1 ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА: получить представление о том, что такое ПЛИС; изучить классификацию и структуру основных архитектур ПЛИС; изучить средства проектирования ПЛИС фирмы Altera и этапы проектирования устройств в среде MAX+Plus II; получить практические навыки разработки устройств в среде проектирования MAX+Plus II и научиться проводить анализ правильности работы устройства по результатам моделирования.

В лабораторном практикуме рассматриваются четыре работы:

– конструктивно-технологические особенности ПЛИС;

– интегрированная среда разработки специализированных микросхем на ПЛИС MAX+Plus II;

– создание и ввод описания проекта в системе MAX+Plus II;

– верификация, компиляция и моделирование проекта в системе MAX+Plus II

2 Последовательность выполнения работ

2.1 Получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы. Изучить требования по технике безопасности при работе с ПК.

2.2 Изучить конструктивно-технологические особенности ПЛИС (раздел 3). Ответить на контрольные вопросы (раздел 6).

2.3 Изучить основы работы и этапы проектирования специализированных микросхем на ПЛИС в среде разработки MAX+Plus II (раздел 4). Ответить на контрольные вопросы (раздел 6).

2.4 Приступить к описанию схемы в пакете MAX+Plus II, согласно варианту задания (раздел 5).

2.5 После окончания ввода описания проекта провести верификацию, компиляцию и моделирование схемы устройства в системе MAX+Plus II.

2.6 Представить результаты моделирования на утверждение преподавателя.

2.7 Для защиты работы подготовить отчет.

3 Конструктивно-технологические особенности плис

3.1 Специализированные сбис

Достижения в области микроэлектронных технологий привели к тому, что основу многих современных радиоэлектронных и вычислительных устройств составляют специализированные большие и сверхбольшие интеграль­ные схемы (БИС и СБИС), позволяющие значительно улучшить технико-экономические характеристики аппаратуры конкретного назначения.

На практике используют пять способов реализации специализированных СБИС:

1)Полностью заказные - предполагающие полный цикл проектирования, включающие разработку всех литографических шаблонов на уровне отдельных областей транзисторных структур;

2)Заказные на основе библиотечных элементов - предполагающие использо­вание заранее разработанных топологических библиотек элементов, узлов и блоков различной сложности и включающие разработку всех литографических шаблонов, но на уровне элементов, узлов и блоков;

3)Полузаказные на основе базовых матричных кристаллов (БМК) - предполагающие использование заранее изготовленных «полуфабрикатов» - БМК - кристаллов с матрицами так называемых базовых ячеек, каждая из кото­рых содержит набор нескоммутированных элементов (транзисторов, дио­дов, резисторов и др.), позволяющих посредством разработки только заказных шаблонов металлизации соединить базовые элементы в соответствии с проектируемой схемой для выполнения заданного набора функций;

4)На основе постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) - предполагающие программирование заранее изготовленных микросхем ПЗУ, содержащих полный дешифратор и программируемый шифратор (поле ячеек памяти), для выполнения определенных функций;

5)На основе программируемых логических матриц (ПЛМ) - также предполагающие программирование заранее изготовленных микросхем, содержа­щих ПЛМ, отличающихся от ПЗУ наличием программируемых дешифра­торов, что обеспечивает дополнительную гибкость.

Каждый из перечисленных способов имеет достоинства и недостатки, определяющие область его практического использования. Так, полностью заказные СБИС отличаются наиболее высокими показателями эффективности использования площади кристалла, быстродействия, надежности, но при этом предполагают длительный цикл проектирования (несколько месяцев работы проектного коллектива) и имеют наиболее высокую стоимость. Напротив, СБИС на основе ПЛМ позволяют сократить цикл проектирования до несколь­ких часов и свести к минимуму затраты на проектирование за счет опреде­ленной избыточности в числе логических матриц, длине связей и т.д., что не­сколько снижает качественные показатели.

Следует отметить, что уменьшение топологических размеров элементов СБИС до 32 нм (а в настоящее время уже осваивается технология в 22 нм) привело к резкому улучшению характери­стик СБИС, в том числе и на основе ПЛМ. При этом степень интеграции, быстродействие, помехоустойчивость и надежность программируемых интегральных схем достигли столь высокого уровня, что в настоящее время во всем мире наблюдается тенденция все более широкого их использования для реализации специализированных СБИС.