Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы проектирования ПЛИС и БМК. Практикум
.pdf
Практическое занятие №8
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БИС НА БМК В САПР «КОВЧЕГ»
Цель занятия: Изучение основ проектирования специализированных БИС на
БМК, приобретение навыков работы с графическим редактором
САПР «Ковчег».
1. Краткие сведения о САПР «Ковчег»
Технологический центр федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский
университет «Московский институт электронной техники»» (ТЦ МИЭТ) разработал для
синтеза БИС на БМК отечественную САПР «Ковчег» [7].
В состав учебной САПР БИС «Ковчег» версии 3.04 входят все основные
подсистемы, необходимые для разработки и подготовки к производству
специализированных БИС на основе младших типов БМК серии 5503.
Подсистема функционально-логического моделирования позволяет получить
временные диаграммы функционирования проекта БИС, оценить устойчивость проекта в
зависимости от воздействия внешних факторов, провести анализ влияния топологических
параметров на функционирование и устойчивость проекта. Совмещенная подсистема
ручного и автоматического размещения ячеек на поле БМК позволяет повысить
коэффициент заполнения поля БМК до 80 – 90%. Синтез топологии выполняется с
учетом списков цепей приоритетной разводки и скоростных цепей. Подсистема
верификации, с одной стороны, проверяет выполнение требований стандарта кодирования
топологии БИС, а с другой – осуществляет проверку соответствия полученной топологии
БИС ее логической схеме. Подсистема расчета топологии обеспечивает расчет задержек
в топологических цепях с учетом возможного разброса топологических параметров.
Подсистема аттестации проекта позволяет проверить поведение проекта микросхемы в
зависимости от значений внешних воздействующих факторов.
Создание проекта
Перед запуском программы необходимо создать папку (например,
C:\Projects\Kovcheg\test) для хранения файлов проекта. Открыв САПР «Ковчег»
(пиктограмма ), следует выбрать пункт меню Проект/Новый проект. Появится окно,
в котором необходимо задать имя проекта, имя схемы верхнего уровня иерархии и папку
для хранения всех файлов проекта. После нажатия кнопки Далее открывается страница, в
которой необходимо выбрать подключаемые к проекту библиотеки (5503, 5503+, 5503++),
типы БМК (Н5503ХМ5) и имитатора (5503ХС1). Характеристики схемотехнической
библиотеки БМК серии 5503 приведены в таблице.
41
Тип БМК
Количество
условных
вентилей в
поле БМК
Количество
внешних
контактов
Напряжение
питания, В
Рабочая
частота, МГц
Тип корпуса
Н5503ХМ1
576
28 5 30
Н09.28-1В
Н5503ХМ2
1296
42 5 30
Н14.42-1В
Н5503ХМ5
3072
64 5 30
Н18.64-1В
5503БЦ7У
5478
64 5 25
Н18.64-1В
Последний шаг – реквизиты проекта, необходимые для оформления конечной
документации по ГОСТ. В данном окне в полях «Заказчик», «Исполнитель», «Основание»
и «Авторы» следует указать соответственно кафедру, группу, название работы и фамилию
студента. В поле «Телефон» достаточно ввести «+7». После проверки параметров
проекта в очередном окне создание проекта завершается нажатием одноименной кнопки.
Создание схемы
Для добавления нового файла схемы к проекту необходимо выбрать пункт меню
Схема/Создать схему/Графический формат. В появившемся окне следует задать имя
схемы и нажать кнопку Создать.
В САПР «Ковчег» электрическая схема состоит из символов библиотеки
элементов, портов ввода/вывода и соединяющих их линий.
Увидеть набор библиотечных элементов можно с помощью пункта меню
Разместить/Ячейка… В появившемся окне выбирается требуемая группа ячеек, после
чего в поле «Список ячеек» указывается необходимый элемент. Для связи портов со
схемой используются периферийные ячейки (в данной работе цифровые входные IDP и
выходные OD1). Для удобства разработчика в поле «УГО ячейки» показывается условное
обозначение выбранного элемента в соответствии с ГОСТ 2.743-91. Более подробную
информацию о ячейке можно получить, нажав кнопку Описание. Размещение элемента на
схеме осуществляется нажатием кнопки ОК. Для изменения номера позиционного
обозначения ячейки (идентификатора) на схеме следует нажать правую кнопку мыши на
символе ячейки и в появившемся подменю выбрать Параметры.
Установка входных и выходных портов на схеме производится с помощью пункта
меню Разместить/Порт одиночный… или Разместить/Порт групповой… (при
добавлении группы портов). При этом в появившемся окне потребуется задать имя порта
и его тип.
После того как все необходимые элементы установлены их соединяют с помощью
линий связи. Для этого в меню выбирается Разместить/Связь ортогональная. При этом
курсор приобретает вид карандаша. Для проведения каждой линии требуется подвести
курсор к выводу элемента и нажать левую кнопку мыши. Из этой точки начнется
формирование ломаной линии, отслеживающей положение курсора. Последующие
нажатия левой кнопки мыши задают координаты вводимых отрезков линии связи.
Нажатие правой кнопки мыши удаляет последний введенный отрезок. Ввод линии связи
завершается двойным нажатием левой кнопки мыши в требуемой точке соединения.
Для проверки схемы на отсутствие ошибок следует воспользоваться командой
Трансляция схемы или пиктограммой в виде зеленого треугольника.
42
Тесты
Для проведения временного логического моделирования созданной схемы
составляются тесты входных воздействий. В результате выбора на боковой панели окна
программы закладки Тесты автоматически создается файл с расширением .tst.
Написание тестов состоит из двух частей: перечня тестов и описания каждого из
них. Имена тестов (в виде любой последовательности цифр и строчных или заглавных
букв латинского или русского алфавита) перечисляются через запятую. В случае
необходимости, для задания длины теста после его имени ставится разделитель «=» и
указывается число, равное длине теста в элементарных проверках (ЭП), т.е. дискретах
времени моделирования. Описание перечня тестов заканчивается разделителем «;»
(например, ТЕСТ1, test2=8;).
Последовательное и построчное описание каждого теста начинается с его имени и
разделителя «:», после которого указываются названия входов схемы и через разделитель
«=» тестовые воздействия. Например, ТЕСТ1: test2:
In = 0 ; In = 1, 0, 1, 0, 0, 1 ;
R = 1, 0 ; Clk = + : 8 ;
В приведенных примерах число чередующихся входных сигналов «1» и «0»
соответствует фактической длине теста в ЭП. Если заданная длина теста (test2=8)
превышает фактическую длину тестовой последовательности (6 для In), то повторяется
последнее значение тестовых воздействий до достижения заданной длины («1»). Символ
«+ : 8» означает формирование в течение 8-и ЭП импульсного сигнала, изменяющего своё
состояние из низкого уровня («0») в высокий («1») и обратно в низкий уровень в рамках
каждой ЭП.
Для проверки тестов на отсутствие ошибок следует воспользоваться командой
Транслировать тесты или пиктограммой в виде зеленого треугольника.
Контрольные точки
Выбор одноименной закладки на боковой панели окна программы позволяет
автоматически создать файл с расширением .zkt. Контрольные точки служат для выбора
портов схемы, которые будут отображаться при моделировании. Формально описание
массива контрольных точек состоит из перечня групп контрольных точек и описания
самих контрольных точек. Однако, в случае несложных схем с небольшим числом
выводов достаточно воспользоваться предлагаемым шаблоном для единственной группы
ALL. Далее после разделителя «:» через запятую указываются названия требуемых
контрольных точек. Перечень завершается разделителем «;».
Для проверки файла контрольных точек на отсутствие ошибок следует
воспользоваться командой Транслировать контрольные точки или пиктограммой в
виде зеленого треугольника.
Моделирование
При правильном выполнении предыдущих шагов и выборе на боковой панели окна
программы закладки Моделирование достаточно указать команду Моделировать или
воспользоваться пиктограммой в виде зеленого треугольника. В результате на экране
появятся временные диаграммы динамики тестируемой схемы. Увидеть логические
43
уровни сигналов можно, если выбрать пункт Статика – текущие диаграммы. В случае
использования импульсного генератора (символ «+» в тестах) программа запросит
параметры контактов схемы. Соответствующее окно можно также открыть, выполнив
команду Задать параметры контактов. Двойным нажатием левой кнопки мыши
необходимо выделить в списке контактов схемы название вывода, к которому подключен
генератор тактовых импульсов. При этом становится активным поле Параметры
контакта, позволяющее установить требуемые значения параметров в нс или % от ЭП.
Параметры других контактов принимаются по умолчанию.
2. Порядок выполнения задания
1. Ознакомиться с содержанием практического занятия и его программным
обеспечением.
2. Изучить основные возможности САПР «Ковчег» [7].
3. Определить код индивидуального задания путем представления порядкового номера
студента в журнале преподавателя в двоичном 6-разрядном коде, в старшем разряде
которого записывается «1». Например, для №9 – 101001.
4. Выполнить синтез схемы детектора, предназначенного для поиска на своем входе
заданной в соответствии с 6-разрядным кодом последовательности импульсов. Выход
схемы должен переходить в состояние «1» на один период синхросигнала каждый раз,
когда в шести последовательных периодах синхросигнала обнаруживается данная
последовательность (см. рисунок). Схема детектора должна быть реализована на
синхронных D-триггерах с асинхронным сбросом (ячейка FDC) и соответствовать модели
Мура. Для назначения состояний схемы использовать помехоустойчивый код Грея.
5. Задать атрибуты проекта в САПР «Ковчег» и ввести в окне графического редактора
разработанную схему. Провести трансляцию проекта.
6. Составить тесты входных воздействий и выполнить трансляцию тестов.
7. Описать контрольные точки и проверить созданный файл на наличие ошибок.
8. Выполнить временное логическое моделирование тестируемой схемы.
9. Оформить протокол и ознакомиться с контрольными вопросами.
44
3. Содержание отчета
1. Название и цель занятия.
2. Диаграмма работы детектора для заданной импульсной последовательности.
3. Граф состояний схемы детектора по модели Мура, соответствующий заданию.
4. Таблица назначенных состояний в помехоустойчивом коде Грея.
5. Карты Карно, функции возбуждения триггеров и выхода.
6. Разработанная схема детектора на листе формата А4 с малым штампом.
7. Скриншоты окон тестовых воздействий и описания контрольных точек.
8. Скриншоты результатов моделирования (диаграммы динамики и статики).
9. Основные выводы по выполненному заданию.
4. Контрольные вопросы
1 . Назначение и основные возможности САПР «Ковчег».
2 . Как создается новый проект в САПР «Ковчег»?
3 . Как создается файл, содержащий описание схемы?
4 . Как осуществляется ввод ячейки в окне графического редактора САПР «Ковчег»?
5 . Для чего предназначены периферийные ячейки БМК?
6 . Пояснить принцип работы схемы детектора, соответствующей заданию.
7 . Для чего нужны и как составляются тесты в САПР «Ковчег»?
8 . Что собой представляет описание массива контрольных точек?
9 . Как производится соединение элементов схемы в графическом редакторе?
10. Для чего выполняется трансляция проекта, тестов, контрольных точек?
Практическое занятие №9
РАЗМЕЩЕНИЕ ЯЧЕЕК И СИНТЕЗ ТОПОЛОГИИ БМК В САПР «КОВЧЕГ»
Цель занятия: Изучение подсистем размещения ячеек, синтеза топологии и
верификации САПР «Ковчег», приобретение навыков работы с
программами.
1. Редактирование размещения ячеек БМК в САПР «Ковчег»
Подсистема редактирования размещения ячеек БМК САПР «Ковчег» [7]
активизируется в меню Выполнить/Редактирование размещения, после чего
открывается окно Размещение ячеек, представленное на рисунке ниже. В левой части
окна располагаются область, в которой задается режим работы подсистемы, и
вспомогательные поля для планировки и размещения ячеек.
45
Определение структуры будущей топологии осуществляется в режиме планировки,
который активизируется нажатием левой кнопки мыши на кнопке План. Режим
размещения и редактирования расположения ячеек на поле БМК активизируется
аналогичным образом, но на кнопке Разм.
Процесс размещения ячеек начинается с выбора режима планировки. Так как в
роли активной подсхемы в настоящей работе выступает единственная головная схема, ее
название на желтом (устанавливается по умолчанию) фоне появляется в верхнем левом
углу окна. Слева от поля списка ячеек располагается поле цвета фона ячеек, которым они
будут отображаться после размещения на БМК. Этот цвет также соответствует желтому
цвету подсхемы и не может быть изменен.
Число планируемых ячеек на поле БМК контролируется с помощью таблицы
планировки, в которой для активной подсхемы указывается фактическое (столбец Факт),
рекомендуемое (столбец +зап) и запланированное (столбец План) количество ячеек.
Верхняя строка таблицы соответствует периферийным ячейкам и обозначается, как и
образ ячеек, буквой Z. Нижняя строка соответствует ячейкам поля БМК и обозначается,
как и образ этих ячеек, буквой V. Первые два столбца таблицы заполняются
автоматически, а третий – по мере выбора планируемых ячеек вручную нажатием левой
кнопки мыши на образе ячейки или группы ячеек. При этом запланированные ячейки
окрашиваются в цвет активной подсхемы, т.е. желтый. Отказ от выбора осуществляется
нажатием правой кнопки мыши на ячейке или группе ячеек.
Формально число планируемых ячеек должно быть не менее фактически
необходимого количества, однако, превышение этих значений способствует лучшей
разводимости схемы.
По завершении планировки включается режим размещения. Процедура
размещения сводится к последовательной расстановке ячеек из списка в запланированной
части поля БМК. После выделения в списке ячеек левой кнопкой мыши имени и
46
идентификатора (отображается в строке сообщений) конкретной ячейки курсор мыши
устанавливается на свободной запланированной ячейке и вновь нажимается левая кнопка
мыши. При этом в поле указанной ячейки (и связанных с ней ячеек) исчезает символ
образа (незанятости) V и появляются ее имя и идентификатор, а слева от списка ячеек –
буква F и перечеркивание, свидетельствующие о статусе закрепленной ячейки.
Количество размещенных ячеек в процентах к общему количеству ячеек проекта
схемы контролируется в соответствующей зоне рабочего окна (см. рисунок).
Размещение ячеек на поле БМК необходимо проводить, ориентируясь на
минимизацию длины связей выделенной ячейки или группы ячеек. Длина связи
рассчитывается в условных единицах относительно центра верхней границы связанных
ячеек, независимо от реального расположения выводов в этих ячейках. Длина связи
отображается автоматически в процессе размещения ячеек (см. рисунок) и
визуализируется графически в виде ломаных линий при нажатии левой кнопки мыши на
ячейках.
Положение ячеек, имеющих статус закрепленных (F), при дальнейшей
оптимизации размещения ячеек не меняется, т.е. не оптимизируется. Поэтому по
завершении этапа ручного размещения ячеек необходимо их открепить,
воспользовавшись функцией Выбрать закрепленные ячейки меню Редактор. После
этого границы контуров всех закрепленных ячеек выделяются красным цветом (Esc
отменяет выделение). Выбором функции Открепить ячейки того же меню
устанавливается статус ячеек как незакрепленных. При этом слева от списка ячеек
напротив каждой из них вместо буквы F появляется буква этого статуса А.
Функция Доразмещение меню Средства подсистемы размещения ячеек выполняет
автоматическое доразмещение и оптимизацию расположения ячеек, входящих в состав
активной подсхемы. В результате выбора этой функции производится: доразмещение
периферийных и внутренних ячеек; оптимизация положения ячеек методами полного
переразмещения, локальной перестановки и перестановки силовым алгоритмом;
восстановление лучшего размещения.
Доразмещение выполняется при условии, что под размещаемую подсхему
запланировано достаточное количество ячеек поля БМК. При этом открывается окно
Доразмещение, в котором указываются типы применяемых оптимизаций и количество
циклов оптимизации (задаются в меню Проект/Параметры/Размещение). Кнопка
Старт активизирует процесс доразмещения ячеек. В случае недостаточного количества
запланированных ячеек выдается соответствующее сообщение.
Более подробно с возможностями подсистемы размещения ячеек можно
ознакомиться в [8].
2. Синтез топологии БМК в САПР «Ковчег»
Подсистема синтеза топологии обеспечивает формирование файла с топологией
БИС и имеет три режима работы: нормальный синтез, файл для предразводки и
доразводка топологии. В настоящей работе используется только функция Нормальный
синтез, которая выбирается в меню Выполнить/Синтез топологии.
В этом режиме топология БИС формируется автоматически в следующей
последовательности: синтезируются цепи подключения к шинам «Земля» и «Питание»,
47
затем цепи приоритетной разводки и цепи, коэффициент разветвления которых больше
или равен указанному в параметрах подсистемы синтеза топологии значению;
синтезируются остальные цепи, начиная с самых коротких; синтезируется заданный в
параметрах синтеза топологии номер БИС.
Информационные сообщения, предупреждения и сообщения об ошибках,
возникающие в процессе синтеза топологии, помещаются в окно Вывод.
Проверка соответствия логического проекта топологии БИС осуществляется с
помощью функции Контроль топологии меню Выполнить. После успешного
выполнения команды Нормальный контроль формируется файл с описанием внешних
выводов микросхемы, который впоследствии используется для формирования файла с
контрольно-диагностическими тестами для измерительного оборудования.
После окончания разработки топологии проводится ее оптимизация. Подсистема
оптимизации топологии (меню Выполнить/Оптимизация топологии) дублирует слоем
металла поликремниевые шины, используемые в разводке топологии, а также заполняет
свободные места поля БМК проходными ячейками. Дублирование металлом
(обозначается на топологии зеленым цветом) увеличивает количество точек подключения
поликремниевых шин и уменьшает сопротивление связей. Добавление проходных ячеек
увеличивает емкость между выводами земли и питания микросхемы, что повышает ее
помехоустойчивость.
САПР «Ковчег» позволяет осуществить расчет задержек цепей в топологии БИС с
учетом заданного в параметрах подсистемы расчета задержек значения удельного
сопротивления поликремния (для БМК 5503 – 30 Ом/квадрат). По умолчанию
рассчитываются задержки, превышающие 10 нс. Для запуска расчета задержек в меню
Выполнить следует выбрать функцию Расчет задержек.
Подсистема ручного редактирования топологии предназначена для создания,
редактирования и отображения топологии БИС или ее фрагментов. Для удобства работы
топология БИС представляется условно в виде набора основных топологических слоев,
отличающихся цветом. Например, (см. рисунок ниже) шины поликремния, доступные при
разводке топологии переменного слоя металла, постоянный металл контактных окон, шин
земли и питания отображаются сиреневым цветом. Синим цветом выделяются шины и
внешние контакты ячеек, к которым разрешено подключение шин разводки. Красный цвет
используется для имен базовых ячеек, а голубой – для имен внешних контактных ячеек и
т.д. Активизация подсистемы осуществляется функцией Редактирование топологии
меню Выполнить. В настоящей работе редактор топологии используется только для
отображения синтезированной топологии созданной ранее схемы.
Более подробно с возможностями перечисленных подсистем можно ознакомиться
в [8].
48
3. Порядок выполнения задания
1. Ознакомиться с содержанием практического занятия и его программным
обеспечением.
2. Изучить основные возможности подсистем размещения ячеек и синтеза топологии
БМК САПР «Ковчег» [7].
3. Определить структуру топологии БМК в режиме планировки для разработанной в
предыдущей работе (в соответствии с вариантом задания) схемы детектора
последовательности импульсов.
4. Выполнить ручное размещение ячеек схемы на поле БМК.
5. Произвести автоматическое доразмещение ячеек схемы.
6. Выполнить синтез топологии схемы.
7. Проверить соответствие логического проекта топологии схемы.
8. Выполнить оптимизацию топологии схемы.
9. Произвести расчет задержек цепей в топологии схемы.
10. Получить синтезированную топологию схемы в редакторе топологии (Вид 3).
11. Оформить протокол и ознакомиться с контрольными вопросами.
4. Содержание отчета
1. Название и цель занятия.
2. Скриншот результата ручного размещения ячеек схемы (разработанной в предыдущей
работе) на поле БМК.
3. Скриншот результата автоматического доразмещения ячеек схемы.
4. Скриншот результата синтеза топологии схемы.
5. Скриншот результата оптимизации топологии схемы.
49
6. Результаты расчета задержек цепей в топологии схемы.
7. Скриншот топологии схемы в редакторе топологии.
8. Основные выводы по выполненному заданию.
5. Контрольные вопросы
1. Назначение и основные возможности подсистем размещения, синтеза топологии и
верификации САПР «Ковчег».
2 . Основные элементы рабочего окна редактора размещения ячеек.
3 . Как задается структура будущей топологии схемы?
4 . Как число планируемых ячеек контролируется на поле БМК?
5 . Как число планируемых ячеек влияет на разводимость схемы?
6 . Что является критерием ручного размещения ячеек на поле БМК?
7 . При каких условиях возможна оптимизация расположения ячеек?
8 . В какой последовательности синтезируется топология БИС?
9 . Как изменяется топология БИС после ее оптимизации?
10. Для чего предназначена подсистема ручного редактирования топологии?
Рекомендуемый библиографический список
1. Комплекс учебный лабораторный SDK-6.1. Руководство пользователя. – СПб.: ООО
«ЛМТ», 2006.
2. Модуль расширения SDX-09. Руководство пользователя. – СПб.: ООО «ЛМТ», 2007.
3. Программа Quartus II Web Edition (Win) http://www.altera.com.
4. Максфилд К. Проектирование на ПЛИС / К. Максфилд. – М.: ДМК Пресс, 2015.
5. Наваби З. Проектирование встраиваемых систем на ПЛИС / З. Наваби. – М.: ДМК
Пресс, 2016.
6. Программа Xilinx ISE (Win) http://www.xilinx.com.
7. Сайт микросхем заказных и полузаказных больших интегральных схем ASIC. URL:
http://asic.ru.
8. Гаврилов С.В. САПР «Ковчег 3.0» для проектирования микросхем на БМК серий
5503, 5507, 5521 и 5529 / С.В. Гаврилов, А.Н. Денисов, В.В. Коняхин, М.М. Макарцева. –
М.: МИЭТ, 2013.
9. Денисов А.Н. Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных
микросхем серий 5503 и 5507 / А.Н. Денисов, Ю.П. Фомин, В.В. Коняхин, Р.А. Федоров;
под общ. ред. А.Н.Саурова. – М.: Техносфера, 2012.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]