книги из ГПНТБ / Ландау И.Я. Применение ЦВМ для проектирования ЦВМ
.pdfИзвестно, что на этих этапах ошибки в монтажной до кументации играют малую роль — здесь влияют ошибки в связях между блоками и устройствами, т. е. логические нестыковки. Уменьшить их количество можно с помощью моделирования структуры системы и блок-схем уст ройств, что в АПК не было осуществлено.
Таким образом, хотя в АПК выполнялась лишь часть работ конструкторского проектирования, использование этой, далеко не полной системы уже дало значительный эффект. Естественно, эффективность АПК была бы выше, если бы в ней решался более широкий круг задач. Однако при разработке и внедрении таких систем кроме чисто технических задач приходится решать ряд вопро-. сов организационного характера, связанных с особенно стями машинного проектирования. Рассмотрим некото рые из них.
Основная трудность создания (и, особенно, внедре ния) АСП заключается не столько в сложности разра ботки алгоритмов решения отдельных задач проектиро вания, сколько в необходимости изменения самого под хода к проектированию ЦВМ: автоматизация проекти рования ЦВМ выдвигает ряд требований к сложившейся методике ручного проектирования средств вычислитель ной техники.
Разработка программ АСП является весьма трудо емкой и дорогостоящей работой, причем значительная часть этих программ будет пригодна лишь для определен ного класса элементов и конструктивных решений. От сюда вытекает необходимость стандартизации конструк ции для большой серии проектируемых машин — только тогда окупаются расходы по автоматизации проектиро вания. До недавнего времени бурное развитие вычисли тельной техники приводило к быстрой смене этих ре шений.
Далее, внедрение АСП требует пересмотра существу ющих стандартов на состав и способы оформления про ектной документации. Некоторые виды документов долж ны быть исключены (например, принципиальная элек трическая схема), другие приведены в соответствие с возможностями машинного выпуска их (это особенно касается графической документации).
Должны быть • разработаны точные и однозначные правила выполнения отдельных этапов проектирования, особенно в тех случаях, когда допускаются различные
140
варианты решения задачи. Все инструкции, составляемые для человека, такой полнотой не обладают, и человек в подобном случае поступает по собственному разуме нию. Машина «собственного разумения» не имеет и тре бует абсолютно точных указаний.
Наконец, сложившиеся при ручном проектировании ламповых и транзисторных ЦВМ конструктивные схемы (ячейка— блок — стойка) очень неудобны для машинно го проектирования, поскольку ряд возникающих при этом задач (выбор стандартных ячеек, компоновка) могут быть решены лишь очень приближенно. С другой стороны, возможности современной микроэлектроники (создание больших интегральных схем, высокая надеж ность элементов) также требуют других конструктивных решений — уменьшения количества разъемов и .перехода на большие нестандартные функциональные блоки, что вполне отвечает требованиям машинного проектирова ния. Таким образом, переход на микроэлектронику и многослойный печатный монтаж, с одной стороны, дела ют практически невозможным сохранение старых ручных
методов проектирования ЦВМ, |
а с другой — приводят |
к стандартным и пригодным для |
машинного проектиро |
вания конструктивным решениям, что облегчает внедре ние автоматизированных систем 'Проектирования и изго товления ЦВМ.
Г л а в а п я т а я
РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ЦВМ
5-1. ПРИМЕНЕНИЕ ЦВМ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Большое значение для обеспечения надежной работы ЦВМ имеют надежность, стабильность и помехоустойчи вость их электронных элементов. Характеристики ЦВМ в значительной степени определяются свойствами этих элементов. Отсюда вытекают требование тщательной от работки электронных элементов до запуска их в произ водство и необходимость предвидеть при разработке элементов их характеристики в серийном изготовлении. Традиционный инженерный подход, основанный на ма кетировании элемента и непосредственном определении
141
его характеристик, мало пригоден для решения этой задачи. Во-первых, путем макетирования трудно на брать достаточный статистический материал (изучить поведение схемы при изменениях технологии, параметров деталей, питающих напряжений и внешних условий), и, во-вторых, макетирование практически не применимо к элементам, построенным на средних и больших инте гральных схемах (ИС), которые находят все более ши рокое применение в современных ЦВМ.
Макетирование ИС сводится фактически к изготовле нию такой схемы; технология изготовления ИС весьма сложна, .поэтому такое макетирование занимает чрез вычайно много времени и обходится очень дорого. Это особенно существенно при проектировании ИС частного (специального) применения, т. е. не предназначенных для массового производства. Такие ИС находят широкое применение в вычислительной технике: одна большая ИС может реализовать целый функциональный узел ЦВМ. Схемы частного применения проектируются по требованиям заказчика; обычно необходима выдача го товой ИС в максимально короткий срок, что возможно только при условии автоматизации проектирования ИС.
'В настоящее время известен ряд систем такого типа [Л. 39, 40]. Проектирование ИС в них выполняется сле дующим образом: по техническому заданию проектиров щик выбирает начальную конфигурацию схемы. Затем создается математическая модель этой схемы и с по мощью ЦВМ моделируется ее поведение. По результа там моделирования (рассчитанным на ЦВМ графикам переходных процессов, токов и напряжений в различ ных точках) окончательно выбираются электрические параметры схемы. Затем производятся определение геометрических параметров деталей, размещение их на подложке и трассировка соединений. Задачи эти имеют много общего с задачами компоновки элементов и трас сировки печатного монтажа при конструкторском про ектировании и решаются методами, сходными с описан ными в гл. 3. Основным элементом автоматизированной системы пректирования ИС являются программы цифро вого моделирования электронных схем. Эти программы находят также широкое применение при разработке и исследовании электронных элементов ЦВМ, построенных на дискретных компонентах (диоды, транзисторы и т. д.) и модулях с малой степенью интеграции.
142
V
Моделирование с помощью ЦВМ дает возможность:
1.Наблюдать поведение схемы со всеми паразитны ми элементами.
2.Наблюдать поведение схемы, не искаженное под
ключением измерительной аппаратуры.
3.Наблюдать величины, измерение которых в реаль ной схеме по тем или иным причинам затруднено или невозможно (например, измерение напряжения на пере ходе транзистора и емкости перехода).
4.Наблюдать поведение схемы, составленной из не-
имеющихся в наличии приборов, для того чтобы опреде лить преимущества, которые могли бы возникнуть при их применении.
5.Определять критические параметры в схеме, наи более влияющие на интересующие разработчика харак теристики.
6.Вычислять изменения характеристик схемы в зави симости от вариаций параметров деталей, т. е. произво дить статистический анализ схемы до того, как она будет запущена в производство, и определять предельно допу стимые условия ее работы.
Таким образом, моделирование схемы на ЦВМ дает
разработчику гораздо больше информации, чем работа с макетом, причем эта информация может быть полу чена гораздо быстрее и дешевле.
5-2. МЕТОДЫ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Основными задачами, возникающими при цифровом моделирова нии электронных схем, являются построение схемы замещения ак тивных элементов (транзисторов, диодов) и составление системы уравнений, описывающих схему.
Точность результатов, получаемых при моделировании, зависит от того, насколько схема замещения отражает характеристики ре альных элементов. Составление хороших схем замещения является достаточно сложной задачей; как правило, для каждого типа полу проводниковых приборов приходится составлять свою схему замеще ния, поскольку ее характеристики зависят от принципа действия и
способа изготовления прибора, а |
иногда |
и от режима работы |
его |
||
в конкретной схеме. Обычно схема замещения должна: |
|
||||
достаточно точно отражать поведение прибора при всех допу |
|||||
стимых режимах работы; |
способу |
расчета |
элемента в |
це |
|
соответствовать |
выбранному |
||||
лом; |
|
|
|
|
|
быть не слишком сложной. |
пока не |
удается |
формализовать, |
||
Выбор схемы |
замещения |
||||
а предъявляемые к |
ней требования во многом противоречивы, |
по- |
|||
143
этому составлением таких схем занимаются |
квалифицированный |
|||||
инженеры. |
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим для примера схемы замещения полупроводникового |
||||||
диода и транзистора. Схема замещения диода |
(рис. 5-1) представ |
|||||
А |
ляет собой |
модифицированную |
||||
модель |
Эберса— Молла. |
|
||||
|
Через |
£д на схеме |
обозна |
|||
|
чен источник тока, который |
|||||
|
описывает |
прямой |
ток |
диода |
||
|
как функцию разности потен |
|||||
|
циалов и на переходе: |
|
|
|||
|
|
«л = |
»о(еХо — 1). |
|
(5-1) |
|
|
где \ = q / i k T M ; ' q — заряд элек |
|||||
|
трона; |
k — постоянная |
Больц |
|||
|
мана; |
Т — абсолютная |
темпе |
|||
|
ратура |
перехода, |
а £о |
и |
М — |
|
|
константы, |
определяющие |
фор |
|||
му идеализированной вольт-амперной характеристики. Емкость об
ласти перехода С = С Э+ С Д, где С0 — электрическая, |
а Сд — диффу |
|||||
зионная составляющая емкости: |
|
|
|
|
||
г |
tt |
г |
(<л + |
':о) |
|
|
|
|
С в ~ |
2Kfs |
’ |
|
|
где Vo — контактная разность |
потенциалов на |
переходе; |
а — пара |
|||
метр, зависящий от геометрии |
перехода; |
N — константа, |
зависящая |
|||
от распределения |
примесей в |
области перехода, a |
fs — частотный |
|||
параметр диода. |
|
|
|
|
|
|
Сопротивление Яь тела диода представляет собой цепочку из.по |
||||||
стоянных сопротивлений R и г |
и проводимости g, |
которая зависит |
||||
от тока: |
|
|
|
|
|
|
|
Къ — R + |
1 |
1 |
|
|
(5-2) |
|
d g |
~ |
|
|
|
(5-3) |
|
dt - - n ( g - g ) . |
|
|
|
||
где г] определяет скорость изменения проводимости, д есть функция if>: 0= у /|£ ь |, а у — статический параметр схемы замещения (от ве
личины у зависит, при каких токах Яь становится постоянным). Используя законы Кирхгофа, получим уравнение для токов через
электроды 1 и 2 диода:
h |
= |
Ь i Д , + |
( “ a — K i ) — |
|
~ |
( " Г + 'l |
+ R g ' ) а = |
а (“2 — «1) + 6; |
(5-4) |
|
г2 = — h = a |
(«! — ц2) — Ь, |
(5-5) |
|
Где‘, “ ( т +"Г+Й^г} 6= - ( - f +i+W )
144
Ток через диод можно записать в векторной форме:
Л Л = Л*(^. еУ —а У°-е)\уУиЛ_ У—ь\
\ Л / V— а (О. g); a (v, g) |
) |
л ' \ и * ) |
\+ & У |
или |
|
|
|
* = M ( » . g ) ||U |
+ |
B ( o ,g ). |
(5-6) |
На рис. 5-2 показана схема замещения транзистора.
|
(База) |
|
|
|
Рис. 5-2. Схема замещения триода. |
|
|
||
Ток диффузии из эмиттера в коллектор |
|
|||
|
|
1 |
dia |
|
'•д — “ 'п |
ш |
d t |
■ |
|
Здесь /п == ;0 (е)'г'1 — 1). |
где |
о, = |
v't — о'ь; а — статический ко |
|
эффициент передачи по току |
из |
эмиттера |
в коллектор; ш — постоян |
|
ная скорости диффузии из эмиттера в коллектор. Ток диффузии из
коллектора |
в эмиттер: |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
/д — А ! п |
d f д |
|
|
|
||
|
|
g |
dt |
' |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Здесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ „ = /о |
— |
1), |
v„ = |
v ' c — |
v ' b] |
|
|
A — статический коэффициент |
передачи по |
току |
из |
коллектора |
||||
в эмиттер; |
Я — постоянная |
скорости |
диффузии |
из |
коллектора |
|||
в эмиттер.
Эмиттерная емкость Се, как и емкость в схеме замещения диода, состоит из диффузионной и электрической:
^ |
^ (,Гт! Ч~ U) |
,____ke___ |
f |
. |
Ка, — Hi |
И5
Емкость коллектора вычисляется по аналогичной формуле:
|
г |
*(/» + |
/>) | |
ъ* |
|
|
Сс~ |
^ |
+ |
|
|
■В |
схеме замещения |
проводимости |
тела эмиттера |
g e и коллек |
|
тора |
g c приняты постоянными, |
проводимость базы gb |
может быть |
||
постоянной или описываться дифференциальным уравнением. Используя второй закон Кирхгофа, можно составить уравнения,
описывающие схему замещения транзистора *, и получить выражения для токов (ь 12, is через электроды транзистора, аналогичные урав
нениям для диода: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
i2 j = j |
|
а, |
— ( а , + а 3) а3 |
|1 и 2 + |
|
|
||||
i s ) |
\ |
«а |
|
«з |
— («а + «з)у |
у |
(*1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5-7) |
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_____ gegc |
|
. ' |
_ |
gcgb |
. |
_ |
gcgb |
. |
||
а ' ~ g c + g e + gb |
’ 2 gc + gc + gb |
3 gc + go + gb ’ |
||||||||
|
|
b \ = (ai + a: ) u i — iait)2, |
62= — '&i«j + |
(ai + a 3) o 2. |
|
|||||
Уравнения (5-7) |
можно переписать |
в более компактной |
форме: |
|||||||
|
|
|
|
1 = |
||Л (Х )||и + В(Х ), |
|
|
(5-8) |
||
где X — внутренние величины транзистора. |
токи |
через электроды |
||||||||
Из |
уравнений |
(5-6), |
(5-8) |
видно, |
что |
|||||
диода и транзистора линейны относительно напряжений на электро дах. Поэтому электронная схема, составленная из диодов, транзи сторов и пассивных элементов (сопротивлений, емкостен, индуктив ностей), описывается системой линейных уравнении.
Рассмотрим электронную схему, состоящую из произвольным образом соединенных между собой активных и пассивных (рези
стивных) |
элементов. Пусть в |
схеме |
имеется р узлов |
и в узлах |
|
1, 2 ,..., |
п заданы потенциалы е,- |
( i= l, |
2 ,..., п) как функции време |
||
ни. Требуется найти неизвестные потенциалы Uj i ( j = n + 1, |
и + 2 ,.... |
р) |
|||
в остальных р—п узлах схемы. Написав для узлов /г+1, |
/г + 2 ,... , |
р |
|||
уравнения первого закона Кирхгофа, получим систему р—п линей
ных уравнений относительно неизвестных и$\ |
|
||Л(Х)Ци + В(Х, е) = 0 , |
(5-9) |
где X — вектор внутренних переменных активных элементов. Кроме уравнений (5-9) имеем дифференциальные уравнения диодов и тран зисторов:
X = F (X, U, е, t). |
(5-10)1 |
1 Мы опускаем вывод уравнений, а также ряд вопросов .струк туры схем замещения, поскольку они выходят за рамки дайной кни ги. Читателю, интересующемуся этими вопросами, можно рекомен довать [Л. 39].
146
Н а й д е м из (5 -9) U и п о д с т а в и м в (5 -1 0 ): |
|
|
X = F (X, — Ц-4 (X) ||-1 В (X, е), е, t). |
( 5 -1 1 ) |
|
Искомые потенциалы n,,+i, и и+2....... |
uv можно |
теперь опреде |
лить, 'решая совместно уравнения (5-9) и |
(5-Г1). В случае связности |
|
схемы по току решение может быть получено простыми итерациями при любых X и е; для других случаев требуются дополнительные
преобразования |
уравнении, |
однако |
|
|
||||
и тут решение |
может быть полу |
|
|
|||||
чено с помощью известных чис |
|
|
||||||
ленных |
методов. |
|
|
|
|
|
||
|
Составление (и описание) схем |
|
|
|||||
замещения |
и |
уравнений |
(5-9), |
|
|
|||
а также |
выбор |
подходящих чис |
|
|
||||
ленных методов их решения пред |
|
|
||||||
ставляют собой сложную задачу, |
|
|
||||||
требующую известной математиче |
|
|
||||||
ской |
подготовки исполнителей. По |
|
|
|||||
этому здесь, как и в других зада |
|
|
||||||
чах |
автоматизации проектирова |
|
|
|||||
ния, необходимы специальная си |
|
|
||||||
стема программирования и язык, |
|
|
||||||
позволяющий формулировать за |
|
|
||||||
дачу в терминах, понятных |
разра |
Рис. 5-3. Схема диодно-трнод- |
||||||
ботчику. |
В |
программах |
расчета |
пого |
ключа. |
|||
переходных |
характеристик |
элек |
|
|
||||
тронных схем обычно используют |
схем |
замещения для активных |
||||||
ся заранее |
составленная |
библиотека |
||||||
элементов и служебные |
программы-трансляторы, которые сами строят |
|||||||
уравнения схемы (5-9) и (5-11) по описанию ее элементов и соеди нений между ними. Такое описание делается на привычном для ин женеров языке. В простейшем случае это список компонентов схе мы, список связей .между ними и параметры входных сигналов [Л. 40]; в более сложных системах, использующих устройства для
ввода—-вывода графической информации (например, |
пульт с ЭЛТ), |
схема может быть просто вычерчена световым пером |
на экране ЭЛТ |
и на ней указаны типы и номиналы радиодеталей. |
|
Транслятор по заданной входной информации и библиотечным описаниям активных элементов составляет -программу вычисления правых частей уравнений, которая используется затем программой интегрирования дифференциальных уравнений, выполняющей соб ственно расчет схемы.
В качестве примера возможностей цифрового моделирования рассмотрим результаты расчета переходного процесса в диоднотриодном ключе (рис. 5-3) с помощью программы, описанной в (Л. 40] (расчет выполнялся на ЦВМ БЭСМ-4).
На -рис. 5-4 показаны графики напряжения базы, тока коллек тора и напряжения па коллекторе, построенные по -результатам рас чета. Эти графики хорошо иллюстрируют возможности цифрового моделирования по сравнению с традиционными методами измерения характеристик схем. Так, непосредственное наблюдение ступеньки на переднем фронте напряжения базы было бы затруднено из-за -мало сти этой величины; наблюдать ток коллектора с помощью приборов вообще невозможно (поскольку попытка включить -между коллекто-
147
f>OM и точкой соединения диодов измерительное сопротивление при
ведет к существенным искажениям картины), а измерение напря жения на коллекторе не дает возможности судить о токе коллектора. Таким образом, даже для столь простой схемы цифровое моделиро вание позволяет выявить некоторые особенности, которые нельзя заметить при работе с макетом; следует отметить, что эти особен ности не очевидны даже для опытного инженера.
Мы познакомились с основными принципами составления схем замещения и цифрового моделирования электронных схем, построен ных на дискретных элементах. Интегральные схемы представляют
коллектора (/к) и напряжения на коллекторе (U„) для диодно-триодного ключа.
собой распределенные структуры; составление (и решение) уравне ний, описывающих поведение ИС, является весьма трудной задачей. Поэтому обычно при составлении схемы замещения для ИС вначале каждый ее элемент заменяется дискретной схемой, отражающей его характеристики и связь его с соседними элементами ИС, а затем уже строятся схемы замещения для полученных дискретных компо нентов. Так, например, диффузионный резистор представляется в виде комбинации сопротивлений и диодов, транзистор заменяется либо дискретным транзистором (если он изолирован от других эле ментов ИС), либо комбинацией из нескольких транзисторов, обра зованных изолирующими переходами ИС. Составление такой дискрет ной модели ИС является одним из наиболее существенных моментов расчета и выполняется квалифицированными инженерами.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. М., Физматгиз,
1962.
2.Ландау И. Я. Проверка логических схем. — «Вопросы радио
электроники. Сер. 7», 1965, вып. 8.
3. Гробман Д. М. О вычислении состояний логических уст ройств.— В кн.: Диагностика неисправностей вычислительных машин. М., «Наука», 1965.
4. Ландау И. Я. Об автоматизации проектирования ЦВМ .— «Автоматика и телемеханика», 1964, т. XXV, № 11.
5.Лошаков В. Н., Вылова Г. Г. Логическое моделирование цифровых устройств.— В кн.: Применение ВМ для проектирования ЦУ. М., «Советское радио», 1968.
6.Голубева Г. А. и др. Автоматизация программного контроля ЦВМ.— В кн.: Диагностика неисправностей вычислительных машин, М., «Наука», 1965.
7.Брудно А. Л. Программирование в содержательных обозна чениях. М., «Наука», 1969.
8.Гурвич Е. И., Куликовская Т. П. Метод анализа тестов циф
ровых устройств с помощью логического моделирования.— В кн.: Применение ВМ для проектирования ЦУ. М., «Советское радио», 1968.
нии |
9. Карцев М. А. Принцип подвижных блокировок при построе |
|||||||
схем |
электронных цифровых машин. — «ДАН |
СССР» |
1960, |
|||||
т. 135, № 5. |
W., |
Graff Н. Н. Solid logic |
design automation |
|||||
|
10. |
Case Р. |
||||||
IBM J. Res. and Dev., |
1964’, 8, № 2. |
|
|
|
|
|||
|
'll. Ренделл Б., Рассел Л. Реализация АЛГОЛ-60. М., «Мир», |
|||||||
1967. |
|
|
Rayna, Nettler Z. The checking |
of |
compu |
|||
|
12. Lehman М., Eshid |
|||||||
ter |
logicby |
simulation |
on |
the computer.— Comp. J., |
1963, |
v. |
6, |
№ 2. |
13.Гробман Д. M. Программный контроль и диагностика не исправностей.—В кн.: Диагностика неисправностей вычислительных машин. М., «Наука», 1965.
14.Ландау И. Я., Погосянц Г. М. Автоматизация составления
монтажных таблиц,— «Материалы XX юбилейной научно-техниче ской конференции». Каунас, 1970.
15.Ландау И. Я., Погосянц Г. М. Язык для формального опи сания логических схем ФОРОС.—В кн.: Автоматизация проектиро вания УВМ. Вып. 10. М., Изд. ИНЭУМ, 1971.
16.Chu Y. An ALGOL-like computer design language.— Commun. ASM, October 1965, 8, p. 607—615.
17.Майоров С. А., Новиков Г. И. Малогабаритные вычислитель ные машины. Л., «Машиностроение», 1967.
149