A 24 bites soros szorzó áramkör tervezése A G G O D JÓZSEF—ASZTALOS A N D R Á S Mikroelektronikai Vállalat
AGGOD
ÖSSZEFOGLALÁS A cikk a Mikroelektronikai Vállalatnál megtervezett soros szorzó áramkört ismerteti, amely elsősorban digitális jelfeldolgozásra a l k a l m a z h a t ó . A cikk első része a soros szorzók felépítésével és m ű k ö d é s é v e l foglal kozik. A második rész a chip tervezése kapcsán betekin t é s t n y ú j t a c e l l a k ö n y v t á r a s tervezési módszer ós a s z á m í t ó g é p e s IC-tervezőrendszer lehetőségeibe. V é g ü l n é h á n y példát mutatunk be a szorzóval é p í t h e t ő digitális jelfeldolgozó áramkörökre.
1. Bevezetés A Mikroelektronikai Vállalatnál folyó digitális jelfeldolgozó integrált áramkörök fejlesztésének egyik eredménye az itt ismertetésre kerülő 24 bites csőmodelles soros szorzó. E z az áramkör elsősorban digitális szűrőkben t ö r t é n ő felhasználásra készült, de alkalmas e g y é b szorzási feladatok elvégzésére is. A maszkok tervezésénél — az igényelt közepes sorozatnagyság és a szükséges gyors átfutás miatt — a cellakönyvtáras módszert alkalmaztuk, amihez a számítógépes t á m o g a t á s t a M E V Hier archikus Tervezőrendszere biztosította.
JÓZSEF
1985-ben szerzett diplomát a Budapesti Műszaki Egyetem Villamosmér-
2.1.1 Párhuzamos szorzó E z a kapcsolás közvetlenül az (1) algoritmust valósítja meg. A szorzás ideje N + K - v a l , a kapuk száma N - K - v a l arányos. A párhuzamos szorzók nak többféle v á l t o z a t a létezik, ezekben az algo ritmustovábbfejlesztésével, illetve különböző áram köri elrendezésekkel igyekeznek a műveletvégzési időt csökkenteni az alkatrészszám növekedésé árán. 2.1.2 Soros-párhuzamos szorzó A soros adatbevitel e l ő n y e a párhuzamoséhoz képest, hogy jóval kevesebb vezeték és csatlakozó szükséges hozzá. H á t r á n y a a lassabb működés. " Szorzóknál a soros adatbevitel a legkisebb helyiértékű bittel ( L S B ) kezdődik. K
számok
szorzása
(2*—1). (2*—1) = 2 - -(2*—1)—(2 —1) pl. N = 4; K = 3 e s e t é b e n :
^3 ^2
*^ 0
öölTö %<%
\
Jf
N+K
+ (y .
/
*
X - Y = Z, ahol X az N-bites adat, és Y a K-bites együttható. Z eredmény maximum N + K bites, mert:
—
/
\
2. A szorzó működése 2.1 Bináris
nöki Karának félvezető ágazatán. Azóta diplomatervének témáját folytatva a Mikroelektronikai Vállátatnál dolgozik.
-
6
C
1
h
1
.1
1
5 H271
•?/ Vi Vb 2
X-y XQ
C
h
I"
0
-L-/
3
1. ábra. P á r h u z a m o s szorzó
(1)
0
^3 ^2 ^1 ^0 r%f
/y
/y
ry>
h h 6 b \ 3
+ (y )-C
6
C
3
c
4
C
0
J/Q
X2
a
b
2
3
C
2
C
±
C
X-y
2
0
X és Y bevitele alapján háromféle szorzót külön b ö z t e t ü n k meg: 1. P á r h u z a m o s szorzó ( X és Y párhuzamos) 2. Soros-párhuzamos szorzó ( X soros, Y párhuza mos) H 271
3. Soros szorzó ( X ós Y soros)
-2
2. ábra. Soros-párhuzamos szorzó {X -yi v a n shiftelve) Beérkezett:
1986. X I I . 3.
Híradástechnika
(t)
XXXVIII.
'évfolyam,
1987. 11. szám
509
N é h á n y lehetséges m e g v a l ó s í t á s : a) Az ( 1 ) algoritmus sorait ( X - y , - t ) toljuk el [ 3 ] : A szorzás ideje N + K ü t e m , a kapuk száma K - v a l arányos, az eredmény N + K bites. Mint a 2 . ábrán l á t h a t ó , a szorzó felépítése teljesen független az adat ( X ) hosszától, vagyis X tetszőlegesen hosszú lehet. E n n é l a szorzónál X első bitjének (# -nak) beérkeztekor az összes e g y ü t t h a t ó - b i t n e k ( y n e k ) már rendelkezésre kell állnia. b) X - t toljuk el [ 1 ] : E z a szorzó az (l)-ben bemutatott szorzásnak egyszerre egy oszlopát végzi el. A z órajel periódus ideje :
1974-ben végzett a BME Villamosmérnöki Karán, azóta a Híradástechnikai Ipari Kutató Intézetben, illetve 1982-től a jogutód Mikroelektronikai Vál lalatnál dolgozik. Kezdet ben bipoláris integrált áramkörök tervezésével fog lalkozott. Jelenlegi szak területei : MOS LSI integ rált áramkörök tervezése, tervezőrendszerek alkal mazástechnikai kérdései.
0
r
T f c T p + í K — 1 ) - T ,
(2)
ASZTALOS
soros
ahol T az É S kapu késleltetése, és t az összeadó késleltetése. Az e r e d m é n y t itt is N + K ü t e m u t á n kapjuk meg, vagyis a teljes szorzás ideje: P
ANDRÁS
s
T
x r
> ( N + K)[T
P
sor
+(K—1).T.]
OS
X
(3)
E n n é l a szorzónál x beérkeztekor az e g y ü t t h a t ó - b i t e k k ö z ü l csak y - r a van szükség. Minden t o v á b b i adatbit (x ) belépésénél pedig csak egy új e g y ü t t h a t ó - b i t n e k ( y n e k ) kell belépnie, í g y lehe t ő s é g van Y bevitelének soros kialakítására (5. ábra). c ) Csőmodelles (pipeline) soros-párhuzamos szorzó: H a a 3 . ábra szorzóját függőlegesen elvagdossuk, és a vágási helyekre egy-egy k é s l e l t e t ő t teszünk, akkor a 4. ábrán l á t h a t ó csőmodelles soros-pár huzamos szorzót kapjuk. 0
0
t
r
H 271 -51 5. ábra. A soros szorzó egy cellája
Az órajel periódusideje: tsz t + r A nem csőmodelles áramkörhöz képest ( 3 . ábra) ez nagyobb óra jelfrekvencia alkalmazását teszi lehetővé. Magasabb órajelfrekvencián az adatok rövidebb időközönként k ö v e t h e t i k e g y m á s t , t e h á t nagyobb lehet a mintavételi frekvencia, és ezzel a feldolgozható jel sávszélessége is. A szorzás ideje a járulékosan beiktatott késlel t e t ő k miatt 2 K + N ü t e m : p
y2
y0
x
*2
o
X
D
D
0
o
o N »x 1
L j * X
1
2
T ^{2
x*y
0 — H 271
3. ábra.
Soros-párhuzamos azorzó (X
K + N)-(T +T
XY
0
-3)
van shiftelve)
s
P
S
(4)
(4)-ben — (3)-al összehasonlítva — a teljes szorzás ideje K - n a k csak lineáris függvénye, vagyis egy adott bitszámnál hosszabb szorzó e s e t é n a cső modelles megoldás a t ö b b órajelütemnyi számolás ellenére gyorsabb lehet. 2.1.3 Soros szorzó: H a a 3 . ábra áramkörénél Y - t is sorosan visszük be, soros szorzót kapunk (5. ábra) [ 2 ] . 0
a a a Pi 3
2
x
+ (t/i) -X-A %2 %i %o X -Vi h h b b, b P* 0 & b b Pi+l 2
4
H271 - 4
4. ábra. Csőmodelles soros-párhuzamos szorzó
510
3
0
(5)
2
E z a soros cella az (5)-ben leírt m ű v e l e t e k e t végzi: az előző részösszeghez ( P h e z ) hozzáadja az (X-Í/Í) részszorzatot, majd az e r e d m é n y t (P*-t) ö l e v á g á s á v a l csonkítja. r
x
Híradástechnika
XXXVHI.
évfolyam,
1987. 11. szám
I t t m á r ábrázoltuk a különböző kiegészítő á r a m k ö r ö k e t , amiket a k ö n n y e b b é r t h e t ő s é g ked v é é r t eddig elhagytunk. A vezérlőjel (R) X első bitjénél (a; -nál) 0,jegyébként 1. A z 1-gyel jelölt É S k a p u a szorzás kezdetekor n u l l á z z a a Carry-bitet, a 2-vel jelölt pedig l e v á g j a 6 -et. Ezzel a m e g o l d á s sal e l é r h e t ő , hogy az adatok k ö z v e t l e n ü l k ö v e t hessék e g y m á s t , viszont az ö s s z e s z o r o h a t ó s z á m o k t a r t o m á n y a s z ű k ü l ( X M S B b i t j é n e k 0-nak k e l l lennie: X - C 2 - * ) , mert (5)-ben a P + X-y össze a d á s csak akkor helyes, ha nincs t ú l c s o r d u l á s .
> 0 -
2C
0
1
- 1
L
2.2 Kettes komplemens számok
i
szorzása
H a Y egy K-bites kettes komplemens s z á m , akkor a definíció szerint: (6) K é t kettes komplemens s z á m szorzata: K - 2
#3
ez kifejtve:
R— 0
2C 4Eh
I H 271 - 7 |
7. ábra. 3 bites csőmodelles kettes komplemens szorzó
komplemens s z á m o k hossza n ö v e l h e t ő , ha az e l ő j e l b i t j ü k e t m é g egyszer eléírjuk. (8)-ban P* előjel-bitjének*(6 ) m e g i s m é t l é s é t és b l e v á g á s á t a 6. á b r a á r a m k ö r é n é l az 1. D - t á r és a 2. jelű kap csoló végzi az _B, vezérlőjel h a t á s á r a . A 7. á b r á n 3-bites kettes komplemens csőmodelles soros szor zó l á t h a t ó , a 6. á b r a cellájából felépítve. A cellák kimeneteire k ö t ö t t D - t á r a k a 4. á b r á v a l kapcsolat ban m á r ismertetett csőmodelles m ű k ö d é s h e z szükségesek. Az u t o l s ó cella e l ő t t i és u t á n i inverterek a (7) u t o l s ó s o r á b a n levő k i v o n á s t végzik el, m e r t : 4
0 0 0 0 /y*
A—B = A + B, ahol ~ az egyes komplemenst jelöli.
V% Vi Vo +
iy
/y
Cí^ T"
.t/3
h h
*V
i
b
3
b
^ 0
W
2
b
—(y ) a
C
4
3
2
-V
>* 3
x
Cg C
4
±
'V
C
) * X 3 %2
^0 C
3
C
2
A
CQ
X
*Y
^ \
6 & ft 6 4
-^i 0
-V
2
3
2
A 6. á b r a á r a m k ö r é n é l az 5. á b r á h o z h a s o n l ó a n az ö s s z e s z o r o z h a t ó s z á m o k t a r t o m á n y a k o r l á t o z v a v a n : | X | < 2 ^ ^ — 1 , vagyis X k é t legnagyobb h e l y i é r t é k ű b i t j é n e k azonosnak k e l l lennie. A tervezett szorzó a 6. á b r a á r a m k ö r é n e k t o v á b b f e j l e s z t e t t v á l t o z a t á b ó l t a r t a l m a z 24 dara bot, amely alkalmas b i n á r i s és kettes komplemens s z á m o k s z o r z á s á r a is, v a l a m i n t az egyetlen meg nem engedett bemeneti k o m b i n á c i ó j a kettes k o m p lemens s z á m o k s z o r z á s á n á l az 2
0
^3 ^3 ^2 ^1 ct a a a a a 4
(7)
^ 0
'V
1
X 3 ^ 2 ** b
/y
/y
^2 ^ 1
^3
X
(8)
&, fed &s -> b
X • Y = ( — 2 * - ) X (—2*" ). 1
A 6. á b r a á r a m k ö r e a (8)-ban leírt m ű v e l e t e k e t végzi el. (8)-t (5)-tel ö s s z e h a s o n l í t v a l á t h a t j u k , hogy P j első b i t j e meg v a n i s m é t e l v e . E r r e a z é r t v a n szükség, m e r t csak azonos h o s s z ú s á g ú kettes komplemens s z á m o k a d h a t ó k össze. A kettes
3. A
X
I H 271 - 6 |
A kettes komplemens
Híradástechnika
XXXVIII.
szorzó egy
évfolyam,
cellája
1987. 11. szám
1
layout tervezése
A szorzó felülnézeti geometriai t e r v e i t (layout j á t ) a M E V - n é l kifejlesztett CET5 jelű c e l l a k ö n y v t á r f e l h a s z n á l á s á v a l , a Hierarchikus T e r v e z ő Rendszer ( H T R ) segítségével k é s z í t e t t ü k el. 3.1 Cellakönyvtáras
6. ábra.
l
i = n #2
+ (2/o
-os
2C
integrált-áramkör
tervezés
A berendezés-orientált áramköröket (BOÁK) a t e r v e z é s i m ó d s z e r e i k a l a p j á n h á r o m csoportba s z o k t á k sorolni. E g y e d i t e r v e z é s (full custom) e s e t é n az I C chip teljes t e r ü l e t é t , annak minden m a s z k r é t e g é t az a d o t t feladathoz o p t i m a l i z á l t m ó d o n egyedileg — á l t a l á b a n kézzel — tervezik meg. C e l l a k ö n y v t á r a s (library custom) m á s s z ó v a l elő tervezett á r a m k ö r ö k e s e t é n , a jól d e f i n i á l t funk cionális b l o k k o k l a y o u t j a előre e l k é s z í t v e a fel h a s z n á l ó r e n d e l k e z é s é r e á l l . E k k o r csak a cellák elhelyezését és ö s s z e k ö t t e t é s e i t k e l l megtervezni. Mesterszelet (gate-array, master-slice) á r a m k ö r ö k b e n tranzisztorok vagy b o n y o l u l t a b b rész e g y s é g e k (kapuk) t a l á l h a t ó k , m á t r i x - s z e r ű e n el rendezve. A t e r v e z é s s o r á n a m á t r i x elemeinek 511
felhasználásával kell dolgozni, és csak néhány maszkréteget kell megtervezni. Az ezzel a mód szerrel készülő IC-ket előregyártott vagy félkész áramköröknek is szokták nevezni, mert a szeletek az egyedileg tervezett vezetőrétegek kivételével nagy sorozatban előre legyárthatok, és az egyes típusoknál csak az utolsó technológiai műveleteket kell egyedileg elvégezni. Vizsgáljuk meg kissé részletesebben, mik a cellakönyvtáras tervezési módszer sajátosságai. Elsőként azt említjük, hogy a tervező előzetesen megtervezett, ellenőrzött, és a gyakorlatban ki próbált cellákkal dolgozik. Ennek igen nagy a jelentősége, mert az IC tervezésénél a lehető leg nagyobb biztonságra kell törekedni, hiszen az elkészült integrált áramkör javítására általában már nincs mód. A már kipróbált cellák alkalma zása növeli a tervezés biztonságát, és csökkenti a tervezési időt. így tervezési hibát csak a cellák összeköttetési hálózatának megtervezésénél követ hetünk el. Itt is elkerülhető a tévedés, ha a munkát számítógép segítségével végezzük. Elérkeztünk a második lényeges jellemzőhöz; a cellakönyvtáras tervezést ma már többnyire automatikus számítógépes módszerekkel végzik. A számítógép-program az első lépésben a két lé nyeges bemenő adathalmaz (a hálózatleírás és a cellák geometriai adatai) alapján elhelyezi a cel lákat. A többnyire azonos magasságú cellákat sorokba rendezi, majd a cellasorokat az összeköt tetésekhez szükséges térközzel egymás fölé helyezi. A második lépésben a hálózatíeírás felhasználá sával készül el a már elhelyezett cellák összeköt tetési rendszere. Az összeköttetések általában két rétegben lehetnek. Az első rétegben többnyire poliszilícium a vezetékek anyaga és a vezetékek legtöbbször függőleges irányúak. A második réteg ben alumíniumból készülnek a vezetékek és álta lában vízszintes irányúak. A két vezető réteg között szigetelő réteg — legtöbbször szilícium dioxid — van. A vezető rétegek között időnként szükséges kontaktust, kontaktusablakok beikta tásával hozzák létre. Az igazán korszerű gyártás-
4
A tat
VDD
f
1
rn
rh
GND
rh í — i i — t r — i i — í r - i r — i n
1 fi I H 271-8|
8, ábra. A cellák geometriai kialakítása 512
technológiák alkalmazása esetén három vezető réteg használható, így az összeköttetési hálózat sűrűsége jelentősen növelhető. A cellakönyvtáras módszerrel készülő integrált áramkör fontos sajátossága, hogy a szeleteket a teljes "gyártástechnológián végig kell futtatni. Emiatt a gyártás ideje hosszabb mint a mester szelet (gate-array) alkalmazása esetén, de rövidebb mint az egyedi tervezésű áramköröknél. Hazai viszonyok közt ez az idő tipikusan tíz hónap. A sorozatnagyságot és a gazdaságosságot vizs gálva megállapíthatjuk, hogy az áramkör ára — a chip területétől függően — néhányszor tízezer darabos rendelés esetén már olcsóbb mint a mes terszeleten készült áramköré. Ha azonban már 2—300 000 darabot elérő igényt kell kielégíteni az egyedi tervezés a legkifizetődőbb. 3.2 A MEV CET 5 jelű
cellakönyvtára
Ezt a cellakönyvtárat az egytápfeszültséges pori" szilícium gate-es N csatornás gyártástechnológia bázisán fejlesztették ki. E technológiában növekményes és kiürítéses tranzisztorok alakíthatók ki, ami közepes kapcsolási időt, közepes teljesítmény felvételt ós jó zajvédettséget tesz lehetővé. A poliszilícium vezetékek és gate-ek jellemző geo metriai mérete 6 fim, az effektív elektromos csatornahossz 3,5 fim. Az alapinverter statikus áramfelvétele bekapcsolt állapotban 70 fi A . A tipikus kapu-pár késleltetési ideje három hasonló kapu bemenetével terhelve + 5 V névleges táp feszültség esetén 15 nsec. A bemeneti és kimeneti fokozatok T T L kompatibilisek, illetve — ha a kapcsolódó CMOS áramkörök tápfeszültsége is + 5 V — CMOS kompatibilisek. A cellakönyvtár jelenleg 35 cellát tartalmaz, ezek mind valamilyen jól definiált logikai funk ciót valósítanak meg, tehát digitális áramkörök tervezhetők felhasználásukkal. A legbonyolultabb cellák a master-slave jellegű (D, SR) tárolók. Geometriájukat tekintve a cellák a standard cellakönyvtár szabályainak tesznek eleget. Ez annyit jelent, hogy magassági méretük kötött (144 fim), szélességük pedig egy alapegység (16 fj,m) egész számú többszöröse lehet (8. ábra). A tápfeszültség vezeték a cella tetején, a föld vezeték a cella alján vízszintesen halad, anyaga alumínium. A logikai csatlakozó pontok, a kiveze tések a cella tetején ós alján a poliszilícium rétegen helyezkednek el. A kivezetések helye is kötött, egymástól n x l 6 fim távolságra lehetnek. Az első kivezetés a celia bal alsó sarkától —- a refe rencia ponttól — 8 fim távolságra van. Az itt leírt szabályoknak eleget tevő cellákat hézagmen tesen egymás mellé helyezve a táp- és a földvezeték folytonos lesz. A logikai kivezetések pedig 16 nm enként követhetik egymást, ami lehetővé teszi az automatikus huzalozást. 3.3 A Hierarchikus Tervezőrendszer
(HTR)
A jó félvezető-technológia és a gondosan megter vezett cellakönyvtár alkalmazásának alapfeltétele az automatikus interaktív számítógépes tervezőHíradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 11. szám
UJ
CD X
>
13 O
<
^
BE
o
UJ
X
CL.
LiJ CD Cd
CL
52 CC
X
CD
CM
>
X
cc
CU
>
o
A cella teljes layoutja. Ezekre az adatokra a m a s z k k é s z í t ő N C b e r e n d e z é s ( á b r a g e n e r á t o r , pattern generátor) vezérlőszalagjának készítésekor van szükség. A z egész chipre v o n a t k o z ó , ú n . g l o b á l i s adatok k ö z ö t t k e l l megadni a t á p - és f ö l d v e z e t é k e k széles ségét, a k ü l ö n b ö z ő maszkokon levő j e l v e z e t é k e k szélességét és t á v o l s á g á t , a k o n t a k t u s a b l a k o k m é r e t é t , vagyis a geometriai t e r v e z é s i s z a b á l y o kat. A fenti adatok lényeges közös jellemzője, hogy a k ü l ö n b ö z ő adatcsoportok k ö z ö t t k ö l c s ö n ö s és e g y é r t e l m ű kapcsolat van. K ü l ö n e l l e n ő r z ő prog r a m o k gondoskodnak r ó l a , hogy a k ü l ö n b ö z ő l e í r á s m ó d o k s z i g o r ú a n koherensek legyenek. í g y é r h e t j ü k el, hogy az automatikus t e r v e z é s garan t á l t a n hibátlan megoldást eredményezzen.
1
1
1 X ÍJ
INTERAKTÍV GRAFIKUS ADATBEVITEL LOGIKAI SZIMULÁCIÓ
LOGIKAI ADATBÁZIS
\
\
-
ANALÓG SZIMULÁCIÓ
KEVERT MŰDO SZIMULÁCIÓ
3.3.2 A t e r v e z é s lépései az automatikus c e l l a k ö n y v táras tervezőrendszerben
AUTOMATIKUS GATE ARRA/ TERVEZE'S
AUTOMATIKUS CEL L A K O N / V T A R A S TERVEZÉS
c
CELLAKWVTARAS ADATBÁZIS
PG
SZALAG
[ H 2'7Í
£ 9 ]
9. ábra. A H T K felépítése
rendszer. A M E V - b e n t e l e p í t e t t Hierarchikus T e r v e z ő r e n d s z e r b e n az i n t e g r á l t á r a m k ö r ö k geo m e t r i a i terve (layoutja) a logikai k a p c s o l á s b ó l k i i n d u l v a , s z á m í t ó g é p i programok e g y m á s h o z szer vesen k a p c s o l ó d ó z á r t l á n c o l a t a f e l h a s z n á l á s á v a l — t e h á t az emberi t é v e s z t é s l e h e t ő s é g é t k i z á r v a — k é s z ü l el. A H T R h á r o m fő részből á l l : — i n t e r a k t í v adatbevitel és s z i m u l á c i ó — automatikus mesterszelet (gate-array) huza lozás — automatikus c e l l a k ö n y v t á r a s l a y o u t t e r v e z é s . A t e r v e z ő r e n d s z e r főbb programcsomagjait, f ő b b a d a t b á z i s a i t és ezek k a p c s o l ó d á s á t a 9. á b r á n v á z o l t u k fel. Ragadjuk k i most e r e n d s z e r b ő l a c e l l a k ö n y v t á r a s t e r v e z é s t elősegítő r é s z e k e t , é s v i z s g á l j u k meg ezeket kissé r é s z l e t e s e b b e n . 3.3.1 A cellák l e í r á s m ó d j a i . A z a d a t b á z i s o k A cellakönyvtáras tervezőrendszerben minden egyes celláról h á r o m f é l e adatcsoportot t á r o l n a k , ezen felül s z ü k s é g v a n m é g n é h á n y á l t a l á n o s , az egész chipre v o n a t k o z ó t e r v e z é s i s z a b á l y r ö g z í t é sére is. A cellák adatcsoportjai a k ö v e t k e z ő t é t e leket t a r t a l m a z z á k : L o g i k a i f u n k c i ó , l o g i k a i s z i m b ó l u m és i d ő z í t é s i adatok. Ezeket az adatokat a c e l l a k ö n y v t á r ter vezője, a c e l l a k ö n y v t á r l é t r e h o z á s a k o r viszi be a c e l l a k ö n y v t á r logikai a d a t b á z i s á b a . A cella l a y o u t j á n a k k ö r v o n a l r a j z a , a k i v e z e t é s e k elrendezése és helye. Ezen adatok az a u t o m a t i k u s h u z a l o z á s h o z szükségesek. Híradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 11. szám
E l s ő n e k az i n t e g r á l t á r a m k ö r logikai k a p c s o l á s á t k e l l g é p r e v i n n i . E z t a m u n k á t az ú n . i n t e r a k t í v s é m a s z e r k e s z t ő program segítségével v é g e z z ü k . A program grafikus t e r m i n á l o n f u t t a t h a t ó . A logikai k a p c s o l á s t a cellák logikai s z i m b ó l u m a i b ó l — rajzjeleiből — a t e r m i n á l k é p e r n y ő j é n k e l l ö s s z e á l l í t a n i . A k a p c s o l á s (hálózatleírás) k ö z v e t lenül a feladat logikai a d a t b á z i s á b a n j ö n l é t r e és a t o v á b b i lépések (logikai szimuláció, l a y o u t ter vezés) b e m e n ő a d a t a k é n t szolgál. A m á s o d i k lépés a h á l ó z a t m ű k ö d é s é n e k ellenőrzése a logikai s z i m u l á c i ó . Ez v o l t a k é p p e n a d e s z k a m o d e l l e z é s t , ós az élesztést h e l y e t t e s í t i . A logikai s z i m u l á c i ó bemenete a logikai k a p c s o l á s (hálózatleírás) és a gerjesztőjelek, e r e d m é n y e a h á l ó z a t b e l s ő csomó pontjainak é s a kimenetek feszültségének i d ő diagramja, a m i k ü l a l a k j á t t e k i n t v e egy t ö b b sugaras oszcilloszkóp, v a g y logikai á l l a p o t a n a l i zátor képernyőjéhez hasonlítható. H a a logikai szimuláció s o r á n t e r v e z é s i , v a g y bekötési hibát találunk, a javítást ismét a séma s z e r k e s z t ő p r o g r a m m a l k e l l elvégezni. A j a v í t á s e r e d m é n y e s s é g é r ő l m e g i s m é t e l t logikai s z i m u l á c i ó v a l lehet m e g g y ő z ő d n i . A szimulációval jónak minősített kapcsolás b i r t o k á b a n v é g e z h e t j ü k el a t e r v e z é s h a r m a d i k lépését, a cellák automatikus elhelyezését. E k k o r k e l l megadni a m á r e m l í t e t t globális chip-layout adatokat is. A z a u t o m a t i k u s elhelyező program a logikai k a p c s o l á s és a cellák k ö r v o n a l - a d a t a i n a k ismere t é b e n javaslatot készít a cellák elhelyezésére. A z elhelyezésnél igyekszik a chip t e r ü l e t é t és a l e e n d ő vezetékek hosszát minimalizálni. A tervezőnek lehetősége v a n arra, hogy az e l h e l y e z é s t m i n d a program f u t á s a e l ő t t — bizonyos p a r a m é t e r e k m e g a d á s á v a l — m i n d a f u t á s u t á n , a kész elhelye zés m e g v á l t o z t a t á s á v a l befolyásolja. A z emberi intelligencia felülmúlja a g é p i t , e z é r t u t ó l a g o s b e a v a t k o z á s s a l á l t a l á b a n j a v u l á s é r h e t ő el a l a y o u t j e l l e m z ő i b e n . Igen lényeges, hogy a beavat kozások szigorúan ellenőrzött módon történnek, így nem „ r o n t h a t j u k " el a l a y o u t o t . A c e l l a k ö n y v t á r a s t e r v e z é s k ö v e t k e z ő lépése az összeköttetési hálózat megvalósítása, ami szintén 513
automatikusan t ö r t é n i k . M i v e l k é t olyan független r é t e g á l l rendelkezésre, melyek k ö z ö t t tetszőleges helyen l é t e s í t h e t ő kapcsolat, g a r a n t á l t a 100%-os összeköthetőség. A program a v e z e t é k e k e t a cellasorok k ö z ö t t i t e r ü l e t e n az ú n . h u z a l o z á s i c s a t o r n á k b a n helyezi el, a k ü l ö n b ö z ő r é t e g e n levő v e z e t é k e k k ö z ö t t i k o n t a k t u s is csak i t t lehet. H a szükségessé v á l i k , hogy egy v e z e t é k az egyik c s a t o r n á b ó l a m á s i k b a haladjon á t , ezt a cellák s z é t h ú z á s á v a l és az így k e l e t k e z ő helyre egy ú n . á t b ú j ó v e z e t é k b e i k t a t á s á v a l oldja meg. A h u z a l o z ó program s z á m á r a megadhatunk ú n . k r i t i k u s v e z e t é k e k e t , amelyeken k í v á n a t o s a gyors jelterjedés. E v e z e t é k e k h o s s z á t igyekszik a prog r a m m i n i m a l i z á l n i , illetve l e h e t ő l e g a kisebb ellenállású r é t e g e k e n vezeti ő k e t . A h u z a l o z á s t k ö v e t ő lépés a l a y o u t - f ü g g ő idő helyes logikai szimuláció. MOS á r a m k ö r ö k b e n a jélterjedés sebessége erősen függ a k a p u k kimene t é n levő k a p a c i t í v t e r h e l é s t ő l . E z é r t a hosszú v e z e t é k e k k a p a c i t á s a annyira m e g n ö v e l h e t i a jelterjedési i d ő t , hogy az szélsőséges esetben h i b á s m ű k ö d é s h e z vezethet. E hiba felderítése é r d e k é b e n figyelembe k e l l venni az elkészült layout v e z e t é keinek h a t á s á t . E z t teszi l e h e t ő v é az a program,
amelyik k i s z á m í t j a a kész layout v e z e t é k e i n e k k a p a c i t á s á t , és az é r t é k e k e t v i s s z a t ö l t i az adat b á z i s b a . A z ezt k ö v e t ő logikai szimuláció k i m u t a t j a az esetleges h i b á s m ű k ö d é s t . A hiba k i j a v í t á s a a m e g h a j t á s o k m ó d o s í t á s á v a l , vagy a layout m á s bemenő paraméterekkel való újratervezésével vé g e z h e t ő el. Az automatikus c e l l a k ö n y v t á r a s layout t e r v e z é s u t o l s ó lépése a teljes layout elkészítése. A c e l l á k a t csak k ö r v o n a l a i v a l t a r t a l m a z ó layout (10. á b r a ) egy konverziós program segítségével e g y e s í t h e t ő a cellák teljes l a y o u t j á v a l , ezt k ö v e t i a maszkk é s z í t ő NC b e r e n d e z é s v e z é r l ő s z a l a g j á n a k (PG szalag) előállítása. 3.4 A 24 bites soros szorzó layout tervezése A t e r v e z é s n é l a fent leírt lépéseket j á r t u k végig. A b e m e n ő a d a t o k k ö z ü l e m l í t é s r e m é l t ó , hogy a teljes logikai k a p c s o l á s 570 k ö n y v t á r i cellából áll. A chipet 18 kivezetéses D I L t o k b a k í v á n j u k helyezni. A t o k alakja megszabja a chip oldalainak a r á n y á t is, ez 3 : 5. K é t lehetőség a d ó d o t t a cella sorok elrendezésére a k í v á n t o l d a l - a r á n y ú chip elérése é r d e k é b e n : viszonylag sok de r ö v i d sor, illetve viszonylag kevés de hosszú sor. M i n d k é t lehetőséget m e g v i z s g á l t u k , és ú g y t a l á l t u k , hogy a m á s o d i k adja a k e d v e z ő b b e r e d m é n y t .
n TMC3034
IH271
-10
10. ábra. A layout
514
Híradástechnika
XXXVIII.
évfolyam,
1987. 11. szám
2C 'Bf; XBE
A ,24
24
•-
bit
N-bU
ideális szorzó
N-bltne vág/kerekí
,48
KSH
Ki
— OWr
0
S>r D
SKI — PKI
,25
XKI
,23
48
RBf
FIR
11. ábra. Az I C t ö m b v á z l a t a
Az egyes programok n é h á n y perc C P U i d ő a l a t t lefutottak, így viszonylag k ö n n y e n k i lehetett p r ó b á l n i egy-egy ú j a b b v a r i á c i ó t . A cellák elhelye zésekor az elhelyező program b e a v a t k o z á s n é l k ü l 23 mm -es chipet k é s z í t e t t , a m i t az egyes cellák k ö r ü l b e l ü l i h e l y é n e k d e f i n i á l á s á v a l 18 m m - r e s i k e r ü l t c s ö k k e n t e n i . A végleges c h i p m é r e t 4,86 X X3,72 m m l e t t .
x(n-l)
xtn-L)
x(n)
2
2
2
IH
4. A M E V TMC2024 jelű 24-bites csőmodelles soros szorzója ( 1 1 . á b r a )
12. ábra. F I R szűrő
A z á r a m k ö r k i a l a k í t á s a olyan, hogy t ö b b tok s o r b a k ö t é s é v e l „ t e t s z ő l e g e s " h o s s z ú s á g ú szorzó k é s z í t h e t ő belőle. Az e g y ü t t h a t ó van: RY
EY
0
Y - t minden s z o r z á s n á l X-szel egyszerre k e l l b e l é p t e t n i (Na= K lehet)
1
0
R Y = 0-nál b e v i t t Y - t R Y = l - n é l rolja a z á r a m k ö r ( N tetszőleges) A gyártáskor beégetett Y érvényes tetszőleges)
0 0 0 F I R kerekítés nélkül 0 0 1 F I R k e r e k í t é s s e l ( N a K ) l 2C s z á m o k 0 1 0 I I R kerekítés nélkül szorzása 0 1 1 I I R kerekítéssel ( N & K ) > 1 0 0 B i n á r i s szorzó k e r e k í t é s n é l k ü l ( k a s z k á d i s ) 1 0 1 B i n á r i s szorzó k e r e k í t é s s e l 1 1 0 Kettes komplemens k a s z k á d előfokoza* XXXVIII.
évfolyam,
H 271-13
(N
V2 V3
Híradástechnika
{ E J - - -
eltá
A k ü l ö n b ö z ő ü z e m m ó d o k a V I ; V 2 ; V3 vezérlő jelekkel á l l í t h a t ó k be: VI
-GD
(Y) b e v i t e l é r e 3-féle lehetőség
0
0
271 -121
1987. 11. szám
13. ábra. Csőmodelles F I R szűrő
:(n) H £ >
- © — -
<M3
z"
1
z"
1
H 271
Lj(n)
- H
14. ábra. I I R szűrő
515
5.2 Másodfokú szűrő
IIR
(Infinite
Impulse
y(ri) = x(n) + b -x(n—1) + b • 1
2
X y{n—l)—a
2
15. ábra. Csőmodelles I I R szűrő
x(n—2)—a X x
• y{n—2)
Az Í I R s z ű r ő t e r v e z é s é n é l (14. á b r a ) k i h a s z n á l t u k azt, hogy az á r a m k ö r az adatot 48 ü t e m m e l k é s lelteti. I I R szűrős a l k a l m a z á s n á l e z é r t ezt a késlel t e t e t t adatot k i is v e z e t t ü k (11. á b r a ) . Í g y a csőmodelles m á s o d f o k ú I I R s z ű r ő 4 t o k b ó l k é s z ü l h e t (15. á b r a ) . H á t r á n y a a k a p c s o l á s n a k , hogy az adathossznak az e g y ü t t h a t ó hossz ( K ) k é t s z e r e s é n e k , vagyis 48 b i t n e k k e l l lennie.
6. Befejezés
Adatok: Tápfeszültség: 5 V ( P ^ l O O mV) T e c h n o l ó g i a : 6 ,um-es Si gate-es NMOS C h i p m é r e t : 4,86x3,72 m m T o k : 18 vagy 22 l á b ú D I L T á r o l ó k t í p u s a : dinamikus A z adat hossza ( X ) : N t e t s z ő l e g e s E g y ü t t h a t ó hossz ( Y ) : K = 24 b i t Max. ó r a jelfrekvencia: / & = 4 M H z M i n t a v é t e l i frekvencia: f =f kl~N 2
c
s
e
5. Nénány alkalmazás 5.1 FIB
Response)
(Finite
Impulse Response)
szűrő
L
y(») = 2
b).x{n—j)
A F I R s z ű r ő n e k az irodalomban [4] t a l á l h a t ó a l a p s t r u k t ú r á j á t (12. á b r a ) a csőmodelles soros p á r h u z a m o s szorzóhoz (4. á b r a ) h a s o n l ó a n á t a l a k í t v a csőmodelles F I R s z ű r ő t k a p u n k (13. á b r a ) . Ennek egy fokozata egy t o k k a l v a l ó s í t h a t ó meg.
A 2. pontban l á t t u k , hogy m í g p á r h u z a m o s szor z ó k n á l az a l k a t r é s z e k s z á m a n é g y z e t e s e n n ö v e k szik a b i t s z á m növelésével, addig soros s z o r z ó k n á l ez az összefüggés csak lineáris. Ez l e h e t ő v é teszi viszonylag e g y s z e r ű t e c h n o l ó g i á v a l is nagypontos s á g ú soros szorzók készítését. A soros szorzók e l ő n y e m é g a v e z e t é k e k és a c s a t l a k o z á s o k kis s z á m a . E z az á r a m k ö r p é l d á u l t ö b b plusz funkció v a l k i e g é s z í t v e is elfér egy 18 l á b ú s z a b v á n y o s tokban, í g y a szerelésnél a t ö b b i IC-nél szokásos eljárások követhetők. Az á r a m k ö r első t e s z t p é l d á n y a i 1987. t a v a s z á n el készültek. IRODALOM [1] S. L . Freeny: „Special-purpose hardware for digital filters" Procedings of the I E E E , April 1975 pp. 633—648. [2] R. F. Lyon: „ T w o ' s Complement pipeline multipliers" I E E E Transactions on Communications, April 1976. pp. 418—425. [3] D. Hampel, K. E. McGuire, K. J. Prost: „CMOS/SOS serial-parallel multiplier" I E E E J . of Solid-State Circuits 1975 pp. 307—314. [4] Lawrence R. Rabiner, Bemard Gold: „ T h e o r y and Application of Digital Signal Processing" PrenticeHall, New Jersey 1975.
