Основные объекты проектирования и производства в электронной промышленности

В настоящее время многие, особенно крупные, промышленные САПР поддерживают большинство этапов и уровней проектирования многих классов электронных изделий, что затрудняет их сравнение и отбор для решения конкретных задач проектирования отдельных классов схем на различных уровнях представления. Поэтому среди существующих САПР электронных систем и устройств целесообразно будет выделить системы проектирования основных объектов и узлов электронной аппаратуры, а именно САПР интегральных микросхем (ПЛИС, заказные и полузаказные ИМС), САПР ПП, САПР механических конструкций.

Учитывая предложенное деление САПР, есть смысл дать краткий обзор проектируемых и производимых промышленностью (в более или менее массовых объемах) цифровых интегральных схем. Современные цифровые интегральные схемы могут быть подразделены на стандартные и специализированные. К первому из выделенных классов относятся БИС с программируемой (перестраиваемой) внутренней структурой, причем такая перестройка осуществляется, как правило, пользователем БИС. В этом смысле определение «стандартные БИС» вполне уместно, поскольку промышленность (изготовитель) не ориентирована на запросы потребителя и имеет возможность формировать достаточно большие объемы выпуска ограниченного числа типов таких БИС. Наиболее распространенными типами цифровых ИС с программируемой (перестраиваемой) внутренней структурой сегодня являются программируемые логические матрицы (ПЛМ) и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

ПЛМ (в общепринятой международной терминологии PLD – Programmable Logic Device) представляет собой матрицу многовходовых (несколько десятков входов) логических элементов с триггерами, в которых перемычками программируются конституенты единиц дизъюнктивных нормальных форм функций этих элементов. Перемычки могут выполняться в виде пережигаемых тонких проводничков или в виде МОП-транзистора с плавающим затвором, т.е. как в электрически перепрограммируемом запоминающем устройстве (можно сравнить с технологией изготовления ПЗУ). Большие ПЛМ (CPLD – Complex Programmable Logic Device) отличаются только тем, что несколько ПЛМ собраны на одном кристалле и объединены программируемым полем связей.

ПЛИС (в общепринятой международной терминологии FPGA - Field Programmable Gate Array) представляет собой матрицу маловходовых (от двух до пяти входов) логических элементов, триггеров, отрезков линий связи, соединяемых перемычками из полевых транзисторов. Судя по английскому названию, ПЛИС программируются изменением уровня электрического поля в затворах этих транзисторов. Затворы всех "программирующих" полевых транзисторов подключены к выходам триггеров одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании ПЛИС. Некоторые из участков этого регистра могут также выполнять роль ячеек ПЗУ.

Топологию ПЛИС (схематично) можно показать следующим образом (рис.1.1):

Рисунок 1.1-Топология ПЛИС

На площади кристалла ПЛИС размещены матрица конфигурируемых логических блоков (CLB), матрица отрезков линий межсоединений, покрытых перемычками - матрицами из полевых транзисторов (SM). По краям кристалла размещены блоки настраиваемых ОЗУ (RAM). По периметру кристалла размещены блоки ввода-вывода сигналов (IO Blocks), а также периферийный канал линий межсоединений, называемый Versaring, предназначенный для соединения логических блоков с произвольным блоком ввода-вывода линией связи с малой задержкой.

По сравнению с ПЛМ, ПЛИС выигрывают:

• в неограниченном количестве перепрограммирований;
• в логической емкости и в удельной емкости вентилей на единицу затрат;
• в энергопотреблении.

Класс специализированных интегральных схем (в английской терминологии ASIC - Application Specific Integrated Circuit) подразделяется на заказные и полузаказные БИС. Первые проектируются в соответствии с требованиями конкретного заказчика; при этом процесс проектирования ничем не ограничен и включает индивидуальную разработку и отладку всех схемных фрагментов, верификацию фрагментов и полного проекта и разработку индивидуального комплекта фотошаблонов. Разновидностью полностью заказных схем можно считать БИС на базе стандартных ячеек, проектирование которых позволяет несколько упростить процесс за счет небольших отступлений от оптимальности (в конструктивно-техническом смысле). К полузаказным схемам принято относить базовые матричные кристаллы, или БМК (в английской терминологии MPGA - Mask Programmable Gate Arrays, или LPGA - Laser Programmable Gate Arrays), часто называемые также вентильными матрицами. Условное «программирование» таких БИС осуществляется путем создания необходимых межсоединений на стандартном промышленном чипе либо через фотошаблон (MPGA схемы), либо выжиганием лазером ненужных из множества уже сформированных на кристалле всех возможных связей (LPGA схемы). Можно добавить, что в последнее время получают все большее применение так называемые стандартные схемы специального назначения (в английской терминологии ASSP - Application Specific Standard Products),в которых для программирования стандартного промышленного полуфабриката используются сторонние (внешние) ПЛИС.

 

Информационные источники, использованные при подготовке раздела: [1],[3].