Проектирование быстродействующего устройства ЭВМ с интеграцией 50000 ЛЭ в объеме одной панели
Контрольная работа - Компьютеры, программирование
Другие контрольные работы по предмету Компьютеры, программирование
его размеры.
Выбор значения М2 и М3
Выбор значения М2 и М3 осуществлялся методом подбора
Задано: Nmaxэффек=50000, i=1,2,3,4, МП-принцип, М1=10, М4=16
Расчет:
М1*М2*М3*М4=Nmaxэффек
М1*M4=10*16=160 элэ
M2*M3=Nmaxэффек/(M1*M4)=50000/160=312,5 элэ
M2*M3~630
Если М2=13, то M3=24
Примем:
М1=10, М2=13, M3=24, M4=16
Определение максимальной интеграции БИС
Логические элементы в кристаллах БИС используются со средней эффективностью равной 0,5. При этом эффективность использования структурных элементов по уровням компоновки равна:
для i=1:ЭЭ1=0,7
для i=2:ЭЭ2=0,8
для i=3:ЭЭ3=0,9
для i=4:
ЭЭ4=1
Nmaxmax=Nmaxэффект/Ээф=49920/0.504=99047 элэ
Максимальная интеграция рассчитывается по формулам:
.
Вычислим, сведя результаты в таблицу 1:
В конструкциях устройств в однокорпусном БИС для СБИС используется в соответствии с уровнем i=4 максимальная интеграция составит Nmaxmax=99047
Табл. 1
Уровень компоновки iСхемная интеграцияMax интеграцияNiMiNsiMsii=110101414i=21301323216i=3312024619027i=449920169904716
Определение уровней полупроводниковой технологии (l) БИС
Оценочные размеры кристалла определяются по формуле:
l = l=1.13(мкм)
Выбор схемотехники
Строим БИС на основе схемотехники КМОП. Обоснование выбора схемотехники приведено при расчете энергетических характеристик.
Базовыми логическими элементами в КМОП-схемотехнике являются инвертор; логические схемы И-НЕ, тактируемый двунаправленный ключ. Приведем их принципиальные схемы:
Рис. 1. Принципиальная схема 4-х входового элемента И-НЕ
2. Расчет основных компоновочных параметров логической схемы БИС
Эта глава содержит расчет ряда параметров, являющихся для конструкции устройства базовыми (исходными), определяемыми только логической схемой и заложенными в ней методами и принципами компоновки элементов. К ним относятся параметры, характеризующие: функциональный объем (общую интеграцию устройства), число входных и выходных внешних контактов и соотношение между ними, быстродействие, определяемое на этом этапе числом каскадов ЛЭ в цепи обработки, нагрузочные способности линий связи (число связей в цепи), принципы компоновки элементов в логических схемах. Эти параметры определяются с учетом принципов структуризации и моделирования логической схемы устройства.
Для расчета основных компоновочных параметров использовались базовые компоновочные соотношения, отражающие системную взаимосвязь между ними и принципы компоновки элементов на каждом компоновочном уровне, приведенные в Учебном Пособии Основы компоновки и расчета параметров конструкций Результаты расчетов в таблице 2.
Табличные представления результатов компоновки и расчета значений компоновочных параметров логической схемы устройства по заданным исходным данным, полученные с использованием формул.
Табл. 2
Уровень компоновки iИнтеграцияОсновные компоновочные параметрыNiMimihiHiKiririllinipiqii = 1101010222,3471.6250.238120.60.210010028441,8802.1200.359250.70.31000100078771,4882.5120.4314120.70.3100001000021711111,1782.8220.4778260.70.3250002500032713131,0732.9270.49011350.70.3500005000044714141.0003.0000.50014440.80.3i = 21301322261,8301.5440.214120.60.21000100784111,4881.8770.307240.70.250005001607171,2632.1110.357360.70.31000010002178201,1782.1970.374380.70.325000250032710251,0732.3010.3944110.70.350000500044712291,0002.3750.4075130.70.3i = 33120241293231,3251.5050.201120.60.26500501794291,2301.6000.231120.60.2130001002445361,1471.6830.255130.60.2260002003336441,0691.7610.276230.60.2390003004007501,0271.8040.287240.60.2500503854478531,0001.8300.293240.60.2i = 4312011391331,3251.0000.000110.50936032111391,1851.1400.065110.50.11872062872521,1051.2210.099110.50.12808093452611,0601.2650.117110.60.137440123922691,0301.2960.129110.60.149920164463770.9991.3250.140110.60.1
3. Расчет энергетических параметров БИС
В расчете учтена зависимость уровня технологии кристалла БИС и числа элементов в общем объеме устройства. К основным энергетическим характеристикам, подлежащих расчету, относятся: напряжение питания, токовая нагрузка и потребляемая мощность. В расчете учтено, что такие параметры как напряжение питания и потребляемая мощность (в расчете на 1 ЛЭ) с ростом степени интеграции элементов на кристалле (а значит с повышением технологического уровня) могут уменьшаться и при определенном уровне технологии будут характеризоваться новыми значениями, отличными от значений при одном ЛЭ, принятым за основу. При этом полученные новые значения напряжения питания должны вписываться в стандартизованный ряд значений (напр., 5В; 4,5В; 3,5В; 3В и т.д.).
Рассчитаем мощность, потребляемую одним ЛЭ, задержку и напряжение:
Pлэ=0,14*l7/6=0,14*1,13 7/6=0,16мВт
Uлэ=3,6*l3.8(В)
Iлэ=0,6*l1.75=0,6*1,13.75=0,74нс
Принимаем UБЛЭ=4,5В, тогда
IБЛЭ=P/U=0,16/3,8=0,042мА
Зная, заданную максимальную эффективную интеграцию и энергетические параметры одного ЛЭ, определим параметры всей БИС:
PБИС=0,16*49920=7987мВт=0,8Вт
IБИС=0,042*49920=2096мА=0,21А
Анализируя параметры рассеивания мощности для КМОП, ТТЛ и ЭСЛ видно,
РТТЛ =1*l7/6 РЭСЛ =3*l7/6 PКМОП=0,14*l7/6
tТТЛ =0,7*l1.75 tЭСЛ =0.3*l1.75 tКМОП=0,6*l1.75
что РТТЛ и РЭСЛ в 5-20 раз выше, чем PКМОП, при этом возникает не решаемая проблема отвода тепла. Следовательно, в качестве схемотехники БИС выбираем КМОП технологию.
4. Описание принципов обеспечения помехоустойчивости БИС
Этот раздел содержит основные правила проектирования устройства, связанные с подавлением непреднамеренных помех, возникающих в линиях связи и цепях питания и земли. В разделе следует описать причины появления помех и сформулировать требования к конструкциям, обеспечивающие снижение уров