Файл: Лаба.doc

1. Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы. М., Высшая школа, 1987 г.

2. Петренко А.И., Лошаков В.Н. Автоматизированное проектирование СБИС на базовых кристаллах.

3. Мурога С.Г. Системное проектирование СБИС., ч.1, 2. М.: Мир, 1985 г.

Таблица 1

Примеры зарубежных ЭСЛ БМК

Фирма	Обозначе-ния	Число венти-лей	Задержка, нс/вент.	Часто та, МГц	Топо-лог. нормы , мкм	Число уров- ней ме-талла	Число контактн. площадок вх. вых.	Мощ-ность БМК, Вт
Motoro-la (США)	MCA10000 ECL MCA7000ECL	10000 7000	0.15 0.15	600 1200	1.5	3 3	224 200	10-30 10-15
Fujitsu (Япо-ния)	ET3000 ET7000H ET4500 ET750	3000 10456 4480 1296	0.55 0.35 0.55 0.22	800 1100 800 800	1	3	120 72 - 120 120 84 48 80	6-7 8-10
NEC (Япо-ния)	MPI36311 ECL-3 MPB6340 ECL-3A	1200 4000	1 0.7	200 300	2	2	88 48 156 72	-
AMCC+ Piessev (США)	Q20166	16000	0.1	1400	0.6	3	- -	16

---

Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Е Р А Б О Т Ы № 2-3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИС НА БМК КМДП-ТИПА.

Цель работ:изучение распространенных типов МДП-БМК и проектирование с их помощью цифровых логических схем.

Теоретические сведения

БМК представляют собой матрицы однородных или неоднородных ячеек. Однородные ячейки чаще всего используют для схем со степенью интеграции около 1000 вентилей на кристалле (рис.1,а), а неоднородные - для построения БИС с числом вентилей более 10000 и для аналогово-цифровых устройств (рис 1,б).

Элементы интерфейса располагаются на периферии кристалла, правда в последнем случае элементы для формирования аналоговых сигналов могут располагаться и внутри матрицы функциональных элементов.

однородные ячейки

---

для функциональных

элементов

строки входных буфе-

ров

столбцы выходных

буферов

периферийные области с элементами интерфейса

а) б)

Рис.1. Организация матриц БМК с однородными (а) и неоднородными (б) ячейками

По всему полю матрицы БМК могут быть расположены внутренние ячейки интерфейса, которые нужны для повышения нагрузочной способности логических элементов, для связи с внешними устройствами и для контроля работоспособности устройства с помощью тестов.

Для тестирования цифровых БИС требуется большое число контактных площадок: до 200 штук, поскольку это весьма затруднительно при заданных технологических ограничениях, часть элементов интерфейса приходится располагать на поле основной матрицы. С помощью внутренних элементов интерфейса можно решать также задачи приближения буферов к элементам информации, уменьшив тем самым длину соединительных шин и ее паразитную емкость, оказывающую значительное влияние на быстродействие маломощных логических элементов.

Базовый матричный кристалл представляет собой матрицу из n строк и m столбцов. Эти числа могут быть по величине от 5 до 10^3-4.

Наибольшее распространение при создании библиотечных ячеек (узлов) в БМК получили два варианта:

1. На основе элемента матрицы формируется один логический элемент: инвертор, одновходовой или двухвходовой вентиль И-НЕ(2И-НЕ) или ИЛИ-НЕ(2ИЛИ-НЕ). Для реализации сложных логических функций используются математические (булевские) преобразования и несколько ячеек матрицы.

2. На основе элементов матрицы формируется любой законченный функциональный узел, из них составляется некоторый библиотечный набор.

---

Первый способ позволяет получить более высокий коэффициент использования ячеек и площади базового кристалла, таким образом повышается степень интеграции БИС. Однако, для размещения узлов и трассировки коммутационных проводников требуется мощная система автоматизированного проектирования (САПР), процесс проектирования упрощается, если используется библиотека функциональных элементов.

Второй способ построения ячеек базового кристалла позволяет упростить САПР, однако, если в проектируемой БИС много простых функциональных элементов с низким коэффициентом использования площади кристалла, то снижается и степень интеграции всего устройства. Этот метод проектирования применяется при разработке нерегулярных ИС средней степени интеграции и стандартных БИС: ОЗУ, АЛУ, ПЗУ, ПЛМ и т.д.

Конструкции БМК и расположение структур ячеек должны быть выполнены с учетом необходимости прокладки трасс межсоединений и шин питания. В простейших случаях между ячейками матрицы выделяется свободная площадь, в пределах которой реализуются соединительные проводники. Пропускная способность полосы может составлять от 5 до 15 шин. В пределах таких полос располагаются элементы «подныривания» для реализации пересечений ортогональных проводников.

Особенности БМК накладывают ограничения на проектирование функциональных узлов (макроэлементов)

• однотипность транзисторов по топологическим размерам,

• ограничения по трассировке между элементами,

• необходимость топологической привязки элементов к соответствующему типу каналов транзисторов,

• разводка элементов должна учитывать особенности топологического размещения (стыковка по размерам) как не связанных между собой по функциональному назначению блоков, так и единых в некотором законченном устройстве (например, дешифраторы и накопители в ПЗУ),

• степень интеграции БМК и перечень макроэлементов.

Библиотечные наборы функциональных элементов.

В микроэлектронике существует рад широко используемых логических схем различной сложности. Прежде всего, это простейшие инверторы, двух-, трех- входовые схемы логического сложения и умножения, схемы комбинированных логических операций, например, И-ИЛИ-НЕ типа, -типа, а также большое число стандартных триггеров (R-S, D-, T-, J-K, D-C, T-V и т.д.). На базе таких логических элементов можно легко построить более сложные триггеры, регистры, счетчики, делители, полусумматоры, мультиплексоры, щифраторы и дешифраторы, усилители и т.д. Любые виды перечисленных схем могут составить библиотечные наборы заданной конфигурации.

---

Топологический чертеж каждого фрагмента библиотеки (узла) разрабатывается на основе структуры одной или нескольких библиотечных ячеек с учетом заданных координат входов и выходов, возможных последующих соединений данного узла с соседними элементами, а также с шинами питания.

Библиотечные элементы (узлы) имеют, как правило, прямоугольную форму, удобную для систем автоматизированного проектирования. Достигается более высокая плотность компоновки библиотечных элементов, если один или оба размера прямоугольников выполняются одинаковыми.

Каждый библиотечный узел характеризуются следующими параметрами: среднее время задержки, потребляемая мощность, абсолютная или относительная помехоустойчивость, величины логических уровней и их перепад, коэффициенты разветвления по выходу и объединению по входу, количество источников питания и требования к их стабильности, возможность реализации логической функции от большего числа переменных. Обобщенным параметром элементной базы БМК служит т.н. фактор качества - произведение потребляемой мощности на среднее время задержки. Величина потребляемой элементом мощности ограничивает степень интеграции быстродействующих БИС.

Составляется аттестационная таблица, в которой перечисляются библиотечные узлы, их индексация и площадь, занимаемая данным элементом (табл.1).

Все библиотечные узлы классифицируются по величине занимаемой площади или пл числу занимаемых ячеек:

L - меньшая часть БЯ,

F - большая часть БЯ,

E - базовая ячейка полностью.

Таким образом, индекс элемента может быть вида 2E1L2, где первая цифра обозначает количество ячеек данного типа, Е1 - тип библиотечного узла, L2 -номер модификации сочетания ячеек данного типа. За единицу измерения площади библиотечного узла принимается площадь базовой ячейки (например, для БМК 1515ХМ1 - S = 180х192 = 34560 мкм²  0,035 мм²).

Таблица 1

Аттестационная таблица логических элементов на БМК серии 1515

№	Обозначение логического элемента	Вид библиотечного элемента (узла)	Площадь, занимаемая библиотечным элементом
1	L1	Si*-шины через ячейку (2 шт.)	1/3 S
2	L2	2х НЕ	- « -
3	L3	Усилитель (2инвертора)	- « -
4	L4	2-ИЛИ-НЕ	- « -
5	L5	2-И-НЕ	- « -
6	L6	2 последовательно соединенные НЕ	- « -
7	L7	Связка двух ключей	- « -
8	F1	Si-шины через ячейку (4 шт)	2/3 S
9	F2	2 усилителя (по 2 инвертора)	- « -
10	F3	НЕ и усилитель (3 инвертора)	- « -
11	F4	Усилитель (4 инвертора)	- « -
12	F5	2хНЕ и усилитель (2 инвертора)	- « -
13	F6	2х2-ИЛИ-НЕ	- « -
14	F7	2-ИЛИ-НЕ и усилитель (2 инвертора)	- « -
15	F8	2-И-НЕ и 2-ИЛИ-НЕ	- « -
16	F9	2х2-И-НЕ	- « -
17	F10	2-И-НЕ и усилитель (2 инвертора)	- « -
18	F11	3-И-НЕ и НЕ	- « -
19	F12	3-ИЛИ-НЕ и НЕ	- « -
20	F13	НЕ и 3-И-ИЛИ-НЕ	- « -
21	F14	НЕ и 3-ИЛИ-И-НЕ	- « -
22	F15	R, S- триггер	- « -
23	F16	R-S-триггер	- « -
24	E1	4-ИЛИ	S
25	E2	4-И	- « -
26	E3	2х3-И-НЕ	- « -
27	E4	2х3-ИЛИ-НЕ	- « -
28	E5	3-ИЛИ-НЕ и 3-И-НЕ	- « -
29	E6	5-И-ИЛИ	- « -
30	E7	5-ИЛИ-И	- « -
31	1E1L1	D-триггер «защелка» с установкой	4/3 S
32	1E1L2	D-триггер «защелка» с уст. и сбросом	- « -
33	2E1L1	D-триггер с установкой и сбросом	7/3 S
34	3E1L1	JK-триггер с установкой и сбросом	10/3 S

---