Введение

Развитие вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения создает новые предпосылки разработки и широкого применения САПР в научно-исследовательской, опытно-конструкторской и производственной деятельности.

Базовые матричные кристаллы являются универсальными кристаллами-заготовками, расположенными на полупроводниковой пластине. Такие кристаллы называют базовыми, поскольку все фотошаблоны, за исключением слоев коммутации, для их изготовления являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Простейшие элементы располагаются на кристалле в узлах прямоугольной решетки, поэтому его называют матричным.

Помимо ячеек, являющихся заготовками для реализации элементов, на БМК могут присутствовать фиксированные части соединений. К ним относятся шины питания, земли и заготовки для реализации частей сигнальных соединений.

Применяют два варианта организации ячеек матрицы БМК. В первом варианте на основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый элемент, выполняющий элементарную функцию. Для реализации более сложных функций используется несколько ячеек. Число, разновидности и параметры элементов определяются электрической схемой базового элемента.

Во втором варианте на основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный библиотечный элемент. Типы библиотечных элементов и их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.

Базовый матричный кристалл представляет собой матрицу не коммутированных транзисторов, регулярно расположенных на кристалле. Нанесением на базовый матричный кристалл межэлементных металлизированных межсоединений может быть реализована любая заданная функциональная логическая схема. БМК обеспечивают значительное сокращение сроков разработки полузаказных ИС. Непрерывное совершенствование технологии и схемотехники элементов БМК, а также методов и средств АП БИС на их основе будет способствовать все более широкому и быстрому внедрению достижений микроэлектроники в цифровую аппаратуру и, прежде всего, высокопроизводительные вычислительные машины.

Наиболее успешно проблема проектирования и изготовления большой номенклатуры БИС и СБИС решается на основе, так называемых, базовых матричных кристаллов (БМК).

В соответствии с современной методикой проектирования разработчик матричных БИС формирует ее структуру в виде соединения функциональных элементов (транзисторов, триггеров) и макроэлементов (цифровых узлов - мультиплексоров, сумматоров, регистров), входящих в состав библиотечного набора. Он состоит обычно из 50-150 элементов и микроэлементов и называется библиотекой функциональных элементов.

Характеристики БМК зависит от типа активного компонента - транзистора. В современных БМК в качестве основных компонентов используются биполярные и МОП-транзисторы. Логические элементы на биполярных транзисторах обеспечивают меньшую задержку переключения, чем МОП-транзисторы. Элементы на КМОП-транзисторах потребляют меньшую мощность.

Микросхемы КМОП структуры являются весьма перспективными приборами. Дальнейшее их развитие связано с одной стороны, с усовершенствованием существующих изделий, с другой - с созданием новой продукции, главным образом БИС и СБИС.

Проектирование схемы матричных БИС осуществляется с помощью библиотеки базовых элементов (БЭ). Библиотечный выбор базовых элементов должен обеспечивать реализацию всех функций, характерных для данного класса устройств. Для этого библиотека должна содержать информацию о выполняемых функциях, электрических параметрах и характеристиках элементов.

Способы формирования библиотеки, ее состав, способы кодирования и хранения информации в ней изменяются за счет множества различных факторов, связанных с процессом разработки и проектирования микросхемы. Основными факторами, влияющими на состав и номенклатуру функциональных элементов, являются:

• выполняемые элементами функции, которые могут быть определены до или в процессе проектирования;

• схемотехнические решения для цифровых, вспомогательных и специальных элементов, которые могут быть типовыми, синтезированными или найденными эвристически;

• электрические параметры элементов, которые могут быть фиксированными, непрерывно модифицируемыми или имеющими ограниченное число типономиналов;

• условия совместимости элементов библиотеки с элементами, построенными на другой схемотехнической основе;

• способы создания микротопологии элементов библиотеки.

При создании БИС на основе БМК заранее определяются функции элементов, схемотехнические решения, рисунок специализации ячеек для образования элемента, электрические параметры элементов, геометрические размеры элементов или число специализируемых ячеек для образования элемента.

Вся информация о библиотеке публикуется в каталоге, которым пользуется разработчик функционально-логической, принципиальной электрической схемы или топологического чертежа.

Таким образом, самыми общими требованиями, предъявляемыми к библиотеке элементов, должны стать требования инвариантности заложенных в ней технических решений к параметрам проектируемых матричных БИС; изменения технологии изготовления, по крайней мере, в рамках выбранного схемотехнического базиса; изменения конструктивно-технологических проектных норм; функциям, выполняемым проектируемыми устройствами; программным средствам и технологии проектирования БИС и СБИС.

Если рассматривать ячейку БМК как однотипное топологическое и, соответственно, схемотехническое мультиплицируемое на поле кристалла решение в базовых топологических слоях, то это не позволяет делать вывод о комплексных показателях эффективности БМК. Совокупность следующих основных факторов и при возможности их цифровых оценок позволит судить в целом о БМК как о продукции:

число разводимых вентилей " И-НЕ " или " ИЛИ-НЕ " с учетом САПР и календарного времени (заказчик - исполнитель) разводки;

число элементов в библиотеке, наличие руководящих материалов;

электрофизические параметры БМК, параметры в ТУ (быстродействие, нагрузочная способность, ток потребления и т.д.)

степень разработанности САПР и доступность вычислительных средств, на которых производятся соответствующие разработки САПР;

экономические показатели эффективности использования БМК;

конструктивные характеристики и условия применения БМК.

Таким образом, выбор именно конструктивно-схематического решения ячейки кристалла БМК на начальном этапе проектирования с учетом перечисленных факторов в результате определяет технико-экономические показатели продукта - БМК.

В данном дипломном проекте рассмотрено проектирование АЛУ с интерфейсом МПИ и внешней индикацией на БМК 5501ХМ2, в системе автоматизированного проектирования, включающего:

• схемный редактор OrCAD

• система логического моделирования ASCT

• программа планировки и размещения библиотеки элементов на БМК - WINRAZM

• пакет программ проектирования топологии COMPIL, RASKR, SINTEZ, KONTROL, ZADER, OPTOP.