Инструменты проектирования цифровых электронных схем.

Использование инструментов САПР для проектирования электронных схем.

Проектирование - это процесс изготовления технической документации, на основе которой может быть изготовлено цифровое устройство или цифровая схема, выполняющая возложенные на нее функции. Общий подход к процессу проектирования заключается в следующем:

1. Определяется функция W, которая должна реализовать будущее цифровое устройство.

2. Определяется или назначается номенклатура элементов, которые могут быть использованы для реализации заданной функции {_i,i=1..n}.

3. Выявляется структура М реализующая функцию Fв базисе функций, т.е.F=fi(₁,...,_i);FW/

4. Доказываем тождественность функций FиWс помощью аппарата моделирования.

5. Выполняется структурная или параметрическая оптимизация структуры М.

Параметрическая оптимизация - это сокращение времени обработки каждым элементом.

Задачи сапр цифровых схем

Выделяют следующие задачи:

1. Задачи проектирования. К задачам проектирования относятся:

• Задачи синтеза схем

• Задачи теста

2. Задачи анализа схем. К задачам анализа схем относят:

• Анализ схем

• Анализ тестов

3. Подготовка отладочной документации на проектирование схемы

4. Проектирование технической документации

5. Подготовка данных для инструментов конструкторско-технологического проектирования

6. Задача обслуживания. К задачам обслуживания относят:

• Ведение библиотеки моделей цифровых схем

• Создание моделей цифровых схем

Функциональная структура инструмента проектирования цифровых схем

Библиотека моделей компонентов содержит функциональное описание каждого из элементов схемы.

Математическая модель цифровой схемы

Это есть система уравнений, в которой определены выходные переменные как функции от множества входных элементов.

Это и есть аналитическая модель.

В рамках нашей математической модели мы вводим 3 типа базовых элементов математической модели:

1. Логический элемент - элемент, который имеет nвходов, 1 выход и выполняет некоторую логическую функциюf.

:

2. Функциональный элемент – элемент, который имеет nвходных элементов,mвыходных элементов и выполняет систему функций {f_i}, гдеi=1…m

3. Специальный элемент – элемент, который может не иметь ни одного входа. На специальный элемент никакие ограничения не накладываются. Он реализует специальную функцию и используется для представления нецифровых и нелогических элементов. Например, это может быть дифференциатор, одно вибратор, элементы задержки и т.д.

При построении математической модели схемы мы решаем 2 задачи:

• Задача статического анализа цифровых схем

• Задача динамического анализа цифровых схем

Статический анализпозволяет нам доказать, что спроектированная схема решает заданную функцию:F~W(Fэквивалентна исходной функцииW).

Динамический анализпозволяет доказать, что спроектированная схемная функцияF(t)~W(t) с учетом времени функционирования схемы вцелом и каждого отдельного ее элемента.

Для решения этих базовых задач необходимо построить иерархию моделей компонентов схем логических и функциональных элементов по критерию их адекватности или точности соответствия с реальным физическим элементом.

1. На первом уровне иерархии находится статическая модель, в которой все задержки равны 0, длительности фронтов сигнала равны 0, а задержки на элементах памяти постоянны и равны такту рабочей схемы.

t_ф– длительность фронта при переходе из 0 в 1 (t_ф⁰¹ ) из 1 в 0 (t_ф¹⁰ );

t_зр– задержка распространения сигнала

t_зп– время задержки переключения

2. Динамическая модель

2.1. Модель средней задержки

или

– единичная задержка

2.2.Для этой модели вводится дифференциация

к– коэффициент разветвления

t^oc– температура

p– давление

Сигнал:

2.3. Модель с инерциальной задержкой.

Задержка, длительности которой соответствует минимальная длительность входного сигнала, не фильтруемого логическим элементом, называется инерциальной.

Инерциальная задержка фильтрует короткие сигналы, т. е. существует минимальная длительность входного сигнала t_и , если сигнал корочеt_и, то этот сигнал на выход не попадает.

t_итакже является функцией от внешних факторов.

2.4. Логическая модель с учетом длительности фронтов сигнала.

t_зп⁰¹=f₁

t_зп¹⁰=f₂

t_ф⁰¹=f₃

t_ф¹⁰=f₄

Это многозначный сигнал.

2.5. Минимаксная модель

t_зр⁰¹=(,)

t_зр¹⁰=(,)

Сигнал:

Пример минимаксной модели:

Y=f(X)

- задержка сигнала на некоторую величину t, где i = 1,..,m.

Каждый компонент можно представить в виде:

Сигнал в системе может быть представлен в разных формах:

Up

- двоичный сигнал

- многозначный сигнал

где Up - пороговое напряжение

Если сигнал порезать на множество уровней порогового напряжения, тогда для двоичного сигнала:

а для многозначного сигнала

Таким же образом последовательностью элементарных переходов можно описать любой сложный сигнал.

При переходе через блок задержки сигнал будет иметь вид:

На таких моделях можно моделировать любые электронные схемы с точностью до 80 %. Динамическая часть реализуется суммированием показателей времени, т.е. прибавлением t. Оно может быть одинаковым для всех участков или изменяться в зависимости от условий.

Многозначная алгебра

Если имеем векторные переменные x1, x2 тогда:

х1	х2	у = х1*х2	у = х1х2	у = not (х1)
0	0	0	0	1
0	1	0	1	1
0	x	0	x	1
1	1	1	1	0
1	x	x	1	0
x	x	x	x	x

Моделирование динамических эффектов в схеме

с использованием многозначной алгебры

Т		1 0
F		1 0
/		1 - динамическое состояние при 0 переключении из 0 в 1
\		1 - динамическое состояние при 0 переключении из 1 в 0
		1 - переключение из 1 в 0 0
		1 - переключение из 0 в 1 0
		1 - статическое состязание в 0 0
		1 - статическое состязание в 1 0
		1 - неизвестное состояние 0

Таблица истинности

х1/х2	F			/		Т			\
F	F	F	F	F	F	F	F	F	F
	F			/				/	
	F								
/	F	/		/		/		/	
	F								
Т	F			/		Т			\
	F							\	\
	F	/		/			\		\
\	F					\	\	\	\

Естественно, что такая алгебра была обречена на провал.

Графовая модель схемы

Каждому элементу поставлена в соответствие графовая модель

Все логические функции решаются в узлах, все функции задержки сигнала вынесены за узлы – они находятся в соединениях.

Нумерация принципиально не имеет значения.

Соединять непосредственно две вершины графа нельзя, и две узловые вершины тоже. Исходя из этого узел 13 схемы (пунктир) нужно заменить эквивалентом:

После привязки функций к каждому узлу схемы, а каждого соединения – временной задержке, получаем функционально топологический граф схемы.