2. Характеризация элементов памяти

Особенно трудоемкой процедурой является процесс характеризации элементов памяти (ЭП), в частности триггеров. Дело не только в том, что схемы таких элементов, как правило, значительно сложней, чем схемы логических вентилей, но также в том, что для ЭП необходимо вычислять такие специфические параметры, как времена предустановки и удержания информационных сигналов - Т_setup и Т_hold. Рассмотрим, что означают эти параметры. Триггеры D-типа имеют информационный вход D и тактирующий вход С. Изменение выходного состояния входа происходит при подаче на вход С переднего (или заднего) фронта тактового сигнала. Выходное состояние триггера определяется значением сигнала на информационном входе D (и внутренним состоянием триггера). Для бессбойной работы D-триггера необходимо установить на информационном входе требуемое логическое состояние (точнее, требуемое напряжение) несколько раньше, чем поступит фронт тактирующего импульса на вход С, и удерживать состояние D входа нужно некоторое время, после прохождения фронта С (рис. 10).

Р ис. 10. Определения параметров Т_setup и T_hold D-триггера

Сумма Т_setup + Т_hold фактически определяет предельное быстродействие триггера, поэтому важно знать минимально возможные значения этой суммы и каждого из слагаемых. Минимальные значения в сильной степени зависят от длительности фронтов D и С импульсов, и, в значительно меньшей степени, от емкости нагрузки на выходе триггера. Поэтому, как правило, при характеризации ЭП ограничиваются построением таблиц {Tsetup(SkD,SlC)}, полученных при одном значении емкости нагрузки (SkD,SlC - длительности фронтов D и С сигналов соответственно).

Методов прямого вычисления минимальных значений Т_setup и Т_hold, видимо, не существует, поэтому для их определения применяются методы поиска. Рассмотрим как вычислить по отдельности времена Т_setup и Т_hold.

Для вычисления Т_setup установим сначала передний и задний фронты импульса D заведомо далеко от момента прихода Тс тактового импульса С. Такое положение фронтов должно обеспечивать правильную работу триггера и минимальную задержку выходного сигнала T0del, которую вычислим и запомним. Запомним также положение переднего фронта D на временной оси, обозначив его t_p. Не меняя положения заднего фронта D, придвинем передний фронт D вправо к точке Тc на некоторую величину Δt. Если при этом триггер работает правильно, то вычислим задержку выходного сигнала Тdel и сравним ее с T0del.

Обычно при приближении фронта D к Тc начиная с некоторого момента, происходит увеличение задержки выходного сигнала. Если это увеличение задержки превысит некоторый предел, установленный пользователем, то такое положение фронта D к Tc, начиная с некоторого момента, происходит увеличение задержки выходного сигнала. Если это увеличение задержки превысит некоторый предел, установленный пользователем, то такое положение фронта D считается недопустимым. Обозначим его t_f. Если же при новом положении фронта D триггер вообще работает неправильно, то также запомним это положение, как t_f. Наконец, если триггер при новом положении фронта работает правильно и относительное увеличение задержки не превышает заданный уровень, то обозначим это положение как t_р и снова передвинем передний фронт вправо на Δt. Повторяя этот процесс, мы в конце концов получим отрезок [t_р, t_f] на левом конце которого триггер работает правильно, а на правом - неправильно. Теперь делим этот отрезок пополам, смещаем передний фронт D в полученную точку и определяем, как описано выше, что это за точка -t_р или t_f.

Сокращая таким образом интервал поиска, найдем с заданной точностью время Т_setup. Совершенно аналогично вычисляется и время Т_hold, только при этом смещается влево задний фронт импульса D.

Рассмотрим теперь как можно определить минимальное значение суммы T_sh= Т_setup + Т_hold. Как и ранее, установим фронты импульса D заведомо далеко от точки Тс и вычислим эталонную задержку T0del. Не меняя положение переднего фронта D найдем, как описано выше, значение T0hold. Установим задний фронт D в позицию Тс + T0hold и определим при этом положении фронта значение T0setup.Таким образом, мы получили первое приближение Т0sh= T0setup + T0hold. Сместим теперь задний фронт D вправо в позицию T1hold = T0hold + Δt и вычислим новые значения Т1setup и T1sh= Т1setup + Т1hold. Если окажется, что T1sh > T0sh, то, следовательно, минимум Тsh нужно искать при положении заднего фронта на отрезке [Tc+ T0hold, Tc+ T1hold]. Если T1sh < T0sh , то нужно увеличит и повторить вычисления до тех пор, пока не будет выполнено условие T1sh > T0sh. Теперь, когда локализован интервал, на котором следует искать минимум Tsh, для его поиска можно применить любой алгоритм одномерного поиска. Часто используется метод квадратичной интерполяции.

Следует отметить, когда передний и задний фронты D сближаются настолько, что «лезут» друг на друга («клиппирование» импульса), но при этом триггер не теряет работоспособности (рис. 11). При определении Тsh нужно ограничить это клиппирование, так чтобы не утратить возможность вычисления задержки выходного сигнала, т.е. пик клиппированного импульса не должен быть ниже 0.5Vdd. Заметим также, что это ограничение жестко связывает друг с другом положение переднего и заднего фронтов D-сигнала, что делает неоднозначным решение задачи определения минимума суммы T_setup + T_hold .

Рис. 11. Клиппирование импульса на информационном входе триггера при определении минимума суммы Tsetup + Thold

Из приведенного выше видно, какой большой объем вычислительной работы приходится выполнять при характеризации ЭП. Так как каждый шаг описанных алгоритмов - это новое моделирование схемы. Поэтому здесь особенно сказываются преимущества применения специализированного входного сплайн-источника, что дает гибкий механизм управления внутри программы моделирования положением фронтов сигналов.