Реферат: Сверхбольшие интегральные схемы

На рис. 1.а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.

Рис. 1. Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС.

Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.

Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.

Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".

Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.

Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания" разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС.

Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.

По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.

Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.

Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.

По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.

Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.

Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.

Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.

Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).

Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.

По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно - и многомагистральные.

В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.

В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.

По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.

В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.

В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.

5. МАТРИЧНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СБИС НА БАЗЕ МАТРИЦ ВАЙНБЕРГЕРА И ТРАНЗИСТОРНЫХ МАТРИЦ

5.1 Матричные микропроцессоры

      Матричные микропроцессоры можно рассмотреть с двух сторон: на уровне транзисторных матриц и матриц процессоров.

      Использование матриц при проектировании процессоров может быть двухсторонним: матрицы транзисторов для проектирования микропроцессоров и матрицы микропроцессоров для проектировании процессорных систем.

      Использование матриц при построении процессорных систем не ограничивается соединением процессоров по конвейерному принципу. Подобную архитектуру можно использовать также и при проектировании ИС с использованием транзисторных матриц, выполненных по МОП-технологии. Рассмотрим оба варианта применения матриц.

5.2 Транзисторные матрицы

       Сокращение сроков проектирования микропроцессоров и повышение надежности проектов требуют применения соответствующих систем автоматизации проектирования. Одним из самых перспективных направлений в настоящее время считается подход к сквозной автоматизации проектирования, называемой кремниевой компиляцией, позволяющий исходное задание на проектирование - функциональное описание, представленное на языке высокого уровня, преобразовать в топологические чертежи. Кремниевые компиляторы используют в качестве базовых регулярные матричные структуры, хорошо приспособленные к технологии СБИС. Большое распространение получили программируемые логические матрицы (ПЛМ) и их различные модификации. Они ориентированы на матричную реализацию двухуровневых (И, ИЛИ) логических структур, а также для оптимизации их параметров (площади, быстродействия) известны различные методы. Реализация многоуровневых логических структур СБИС часто опирается на матричную топологию: в этом случае компиляторы генерируют топологию по ее матричному описанию.

      Транзисторные матрицы

      Особым стилем реализации топологии в заказных КМОП СБИС являются транзисторные матрицы. В лэйауте (англ. layout - детальное геометрическое описание всех слоев кристалла) транзисторных матриц все p-транзисторы располагаются в верхней половине матрицы, а все n-транзисторы - в нижней. Транзисторные матрицы имеют регулярную структуру, которую составляют взаимопересекающиеся  столбцы и строки. В столбцах матрицы равномерно расположены полосы поликремния, образующие взаимосвязанные затворы транзисторов. По другим полюсам транзисторы соединяются друг с другом сегментами металлических линий, которые размещаются в строках матрицы. Иногда, для того чтобы соединить сток и исток транзисторов, находящихся в различных строках, вводят короткие вертикальные диффузионные связи. В дальнейшем ТМ будет представляться абстрактным лэйаутом.

   Абстрактный лэйаут - схематический рисунок будущего кристалла, где прямоугольники обозначают транзисторы, вертикальные линии - поликремниевые столбцы, горизонтальные - линии металла, штриховые - диффузионные связи, точки - места контактов, стрелки - места подключения транзисторов к линиям Gnd и Vdd. При переходе к послойной топологии стрелки должны быть заменены полосками в диффузионном слое, по которому осуществляются соединения между строками ТМ.

      На рис. 1.а представлена транзисторная схема, а на рис. 1.б - транзисторная матрица, реализующая данную схему.

Рис 1. Символическое представление топологии транзисторных матриц.

      Одной из завершающих стадий получения топологии транзисторных матриц является переход от символического лэйаута к топологическому описанию схемы на уровне слоев. Символические лэйауты конструируются путем размещения символов не решетке, которая служит для создания топологии заданной схемы. Каждый символ представляет геометрию, которая может включать любое число масочных уровней. Схемотехника транзисторных матриц позволяет использовать небольшое число различных символов, требуемых для описания лэйаута:

N - n-канальный транзистор;

P - p-канальный транзистор;

+ - надпересечение - металл над диффузией; металл над поликремнием; пересекающиеся вертикальный и горизонтальный металлы;

 - контакт (к поликремнию либо диффузии);

! - p-диффузия;

- n-диффузия, либо поликремний;

: - металл в вертикальном направлении;

 - металл в горизонтальном направлении.

     Каждый символ транзистора соответствует транзистору минимального размера. Однако ширина канала может увеличиваться многократным повторением символа. Только один символ «+» требуется для того, чтобы обозначить пересечение всех трех уровней взаимосвязей: а именно, металл над диффузией, металл над поликремнием и пересекающийся вертикальный и горизонтальный металлы. Символ контакта «» используется для того, чтобы определить контакт металла к поликремнию или диффузии. Символ «» используется для представления либо поликремневых, либо n-диффузионных проводников. Символ для диффузии p-типа «!» требуется для различия ее от диффузии n-типа, которая может существовать в том же столбце. Символы для металла «:» либо «-» обозначают вертикальные или горизонтальные линии металла соответственно.

 Если логическая схема построена на базе элементов, для которых нет транзисторных описаний в библиотеках, то возникает сложная задача получения требуемых представлений схемы, особенно, когда имеются дополнительные требования к параметрам - площади, быстродействию и т.д. Задача перехода от логического описания комбинационной логики в одном базисе к описанию в другом базисе в настоящее время решается по нескольким направлениям.

Глобальная оптимизация. Сначала осуществляется переход к системе нормальных дизъюнктивных форм (ДНФ), которая обычно минимизируется, а затем представляется в виде многоуровневой логической сети, реализуемой в требуемом базисе. Основная оптимизация ведется при построении многоуровневой сети - обычно это сеть в базисе И, ИЛИ, НЕ, а основным критерием сложности является критерий числа литералов (букв) в символическом (алгебраическом) представлении булевых функций. Методы оптимизации опираются либо на функциональную декомпозицию, либо на факторизацию (поиск общих подвыражений) в алгебраических скобочных представлениях функций, реализуемых схемой. Заключительный этап - реализацию в требуемом базисе принято называть технологическим отображением. Именно на этом этапе можно оценить максимальную задержку схемы - задержку вдоль критического пути. Предполагается, что в узлах схемы установлены базисные элементы.

Локальная оптимизация. Замена одних базисных логических операторов другими осуществляется путем анализа локальной области схемы. Поиск фрагментов и правила их замены другими может осуществляться с помощью экспертной системы. Так, например, устроена система LSS.

5.3 Матричные процессоры      

      Матричные процессоры наилучшим образом ориентированы на реализацию алгоритмов обработки упорядоченных (имеющих регулярную структуру) массивов входных данных. Они появились в середине 70-х годов в виде устройств с фиксированной программой, которые могли быть подключены к универсальным ЭВМ; но к настоящему времени в их программирования достигнута высокая степень гибкости. Зачастую матричные процессоры используются в качестве вспомогательных процессоров, подключенных к главной универсальной ЭВМ. В большинстве матричных процессоров осуществляется обработка 32-х разрядных чисел с плавающей запятой со скоростью от 5000000 до 50000000 флопс. Как правило они снабжены быстродействующими портами данных, что дает возможность для непосредственного ввода данных без вмешательства главного процессора. Диапазон вариантов построения матричных процессоров лежит от одноплатных блоков, которые вставляются в существующие ЭВМ, до устройств, конструктивно оформленных в виде нескольких стоек, которые по существу представляют собой конвейерные суперЭВМ.

      Типичными видами применения матричных процессоров является обработка сейсмической и акустической информации, распознавание речи; для этих видов обработки характерны такие операции, как быстрое преобразование Фурье, цифровая фильтрация и действия над матрицами. Для построения относительно небольших более экономичных в работе матричных процессоров используются разрядно модульные секции АЛУ в сочетании с векторным процессором, основанном на основе биполярного СБИС-процессора с плавающей запятой.

      Вероятно, в будущем матричные процессоры будут представлять собой матрицы процессоров, служащие для увеличения производительности процессоров сверх пределов, установленных шинной архитектурой.     

      Для реализации обработки сигналов матрицы МКМД могут быть организованы в виде систолических или волновых матриц.

      Систолическая матрица состоит из отдельных процессорных узлов, каждый из которых соединен с соседними посредством упорядоченной решетки. Большая часть процессорных элементов располагает одинаковыми наборами базовых операций, и задача обработки сигнала распределяется в матричном процессоре по конвейерному принципу. Процессоры работают синхронно, используя общий задающий генератор тактовых сигналов, поступающий на все элементы.

      В волновой матрице происходит распределение функций между процессорными элементами, как в систолической матрице, но в данном случае не имеет места общая синхронизация от задающего генератора. Управление каждым процессором организуется локально в соответствии с поступлением необходимых входных данных от соответствующих соседних процессоров. Результирующая обрабатывающая волна распространяется по матрице по мере того, как обрабатываются входные данные, и затем результаты этой обработки передаются другим процессорам в матрице.

5.4 Автоматизация проектирования цифровых СБИС на базе матриц Вайнбергера и транзисторных матриц

 Все большую долю в общем объеме ИС составляют заказные цифровые ИС, выполненные в основном, по Моп-технологии. Сокращение сроков проектирования и повышение надежности проектов требуют применения соответствующих систем автоматического проектирования. Одним из самых перспективных направлений в настоящее время считается подход к сквозной автоматизации проектирования, называемой кремниевой компиляцией, позволяющей исходное задание на проектирование - функциональное описание, представленное на языке программирования высокого уровня, преобразовать в топологические чертежи. Кремниевые компиляторы используют в качестве базовых регулярные матричные структуры, хорошо приспособленные к технологии СБИС. Большое распространение получили программируемые логические матрицы (ПЛМ) и их различные модификации. Они ориентированы на матричную реализацию двухуровневых (И, ИЛИ) логических структур, а также для оптимизации их параметров (площади, быстродействия) известны различные методы.

Заключительный этап - реализацию в требуемом базисе принято называть технологическим отображением. Именно на этом этапе можно оценить максимальную задержку схемы - задержку вдоль критического пути. Предполагается, что в узлах схемы установлены базисные элементы.

Локальная оптимизация. Замена одних базисных логических операторов другими осуществляется путем анализа локальной области схемы. Поиск фрагментов и правила их замены другими может осуществляться с помощью экспериментальной системы. Так, например, устроена система LSS.

          Оптимизация МВ на логическом уровне представляет более простую задачу. На этом этапе обычно минимизируется число операторов f = k1 V ... V kl - по существу число столбцов МВ. Минимизация числа строк происходит на этапе топологического проектирования.

          Заключая данный раздел, можно сказать, что актуальной проблемой является проблема разработки методов оптимизации многоуровневых структур с учетом последующей базовой топологической реализации. Проблема осложняется тем, что нужно выработать еще соответствующие критерии оптимизации. Если для ПЛМ критерий минимальности числа термов адекватен сложности последующей топологической реализации, то для МВ и, особенно для ТМ, типичной дилеммой при минимизации площади является следующая - провести дополнительную связь, либо установить дополнительный элемент. Может оказаться так, что сильная связность схемы может быть неприемлемой из-за больших затрат площади кристалла под соединения элементов.

         В обзоре представлены основные подходы к проектированию структур заказных цифровых СБИС на базе основных моделей матриц Вайнбергера и транзисторных матриц.

          Модификация основной модели МВ, когда снимаются требования подключения каждого столбца к линии «земли»; реализация каждой переменной только в одной стоке матрицы; невозможности дублирования линий «земли» и нагрузки; приводит к новым формальным постановкам задач оптимизации параметров МВ, хотя и для основной модели не все проблемы решены - открыта, например, проблема синтеза МВ с заданным быстродействием.

          Таким образом, важнейшими проблемами, решаемыми в настоящее время для МВ и ТМ, являются проблемы разработки формальных методов синтеза, которые позволяли бы гибко оптимизировать такие характеристики, как площадь, быстродействие, габариты, электрические параметры схем. Данные проблемы в настоящее время актуальны не только для МВ и ТМ - подобные проблемы находятся в центре внимания разработчиков САПР заказных цифровых СБИС и применительно к другим базовым структурам.

Матричные процессоры наилучшим образом ориентированы на реализацию алгоритмов обработки упорядоченных (имеющих регулярную структуру) массивов входных данных. Они появились в середине 70-ых годов в виде устройств с фиксированной программой, которые могли быть подключены к универсальным ЭВМ; но к настоящему времени в их программировании достигнута высокая степень гибкости. Зачастую матричные процессоры используются в качестве вспомогательных процессоров, подключаемых к главной универсальной ЭВМ. В большинстве матричных процессоров осуществляется обработка 32 разрядных циклов с плавающей запятой со скоростью от 5000000 до 50000000 флопс. Как правило, они снабжены быстродействующими портами данных, что дает возможность для непосредственного ввода данных без вмешательства главного процессора. Диапазон вариантов построения матричных процессоров лежит от одноплатных блоков, которые вставляются в существующие ЭВМ до устройств, конструктивно оформленных в виде нескольких стоек, которые по существу представляют собой конвейерные суперЭВМ.

Страницы: 1, 2, 3