Введение.

Конструирование современных ЭВМ любого назначения представляет собой сложный процесс разработки широкого спектра конструкторской документации на элементы в частности СБИС, функциональные узлы, блоки, устройства и ЭВМ в целом, предназначенной для последующего изготовления и эксплуатации. Характер решаемых задач в процессе разработки КД самый разнообразный: от задач по обеспечению механической прочности, надежности и тепловых режимов в конструкциях до задач по обеспечению заданного быстродействия, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости.

Общий процесс конструирования любого электронного изделия, в т.ч. и ЭВМ, с целью конкретизации конструкторских задач условно можно представить как состоящий из трех взаимосвязанных составных частей: конструирование механической и электронной частей изделия и конструирование окружающей среды, т.е. средств, обеспечивающих заданную температурную работоспособность изделия.

Конструирование механической части устройств ЭВМ, характеризуемое традиционно как “механическое конструирование”, предназначено для решения задач по обеспечению механической прочности и устойчивости конструкций к внешним воздействующим факторам. Конструирование окружающей среды связано с обеспечением надежного функционирования ЭВМ и предназначено для решения задач по обеспечению вполне определенных тепловых режимов работы логических элементов в устройствах. Такое конструирование характеризуется устоявшимся термином “тепловое конструирование”.

Конструирование же электронной части ЭВМ имеет свои характерные особенности. Они заключаются в том, что электронная часть предназначена для выполнения главной функции ЭВМ, а именно, для обработки, обмена и получения результатов вычислений по заданным алгоритмам и программам. Поэтому конструирование электронной части связано с решением широкого спектра сложных специфических задач по выбору оптимальных параметров логических элементов, по компоновке и оптимальному выбору параметров конструкций ЭВМ, по обеспечению быстродействия и помехоустойчивости линий связи в общей системе межсоединений и многие другие. Все задачи взаимосвязаны и требуют для своего решения разработки соответствующих методов, правил, принципов и критериев конструирования.

Определяющей задачей для электронного конструировования было конструирование транзисторов и транзисторных схем (II‑е поколение), затем, с появлением ИС (III‑е поколение), определяющей задачей стала компоновка узлов и блоков на ИС и конструирование линий связи. Переход к широкому применению в ЭВМ БИС и СБИС (IV‑е, V‑е поколение) привел к существенному изменению принципов компоновки и появлению новых методов обработки информации, что не могло не отразится на изменении методов конструирования и компоновки электронной части ЭВМ. При этом задача обеспечения заданного быстродействия, помехоустойчивости и помехозащищенности устройств сохраняла свою определяющую роль и значимость.

1. Выбор схемотехники, уровня технологии и параметров СБИС.

1. Выбор значения М2 и М3

Задано: N_{maxэффек} = 150000, i = 1, 2, 3, 4, М₁ = 10, М₄ = 36

Расчет:

М₁*М₂*М₃*М₄ = N_{maxэффек}

М₁*M₄ = 10*36 = 360 элэ

M₂*M₃ = N_{maxэффек} / (M₁*M₄) = 150000/360=416,(6) элэ

Примем:

М₁=10, М₂=16, M₃=26, M₄=36

=> N_{maxэффек} = М₁*М₂*М₃*М₄ = 149760

1.2. Определение максимальной интеграции СБИС.

Логические элементы в модулях БИС используются со средней эффективностью равной 0,5. При этом эффективность использования структурных элементов на каждом уровне различны:

для i=1: Э_Э1=0,7

для i=2: Э_Э2=0,8

для i=3: Э_Э3=0,9

для i=4: Э_Э4=1

N
_maxmax = N_{maxэффект} / Э_эф= 150000/0.5 = 300000 элэ

Результаты сведём в Таблицу 1.

Таблица 1.

1. Определение уровней полупроводниковой технологии () CБИС

О ценочные размеры кристалла определяются по формуле:

=>  = 10/(N_maxmax)^1/4 = 10/(292320)^1/4 = 0,43 мкм

1.4 . Выбор схемотехники.

Строим СБИС на основе схемотехники КМОП. Обоснование выбора схеметехники приведено в п.3 при расчете энергетических характеристик.

Базовыми логическими элементами в КМОП-схемотехнике являются инвертор; логические схемы И-НЕ, ИЛИ-НЕ; тактируемый двунаправленный ключ. Приведем их принципиальные схемы:

2. Расчет основных и произвольных компоновочных параметров 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.

1. Базовые соотношения системной взаимосвязи

1) Основное системное соотношение:

,

где:

; .

2) Базовый критерий компоновки (критерий соответствия значения параметра К_i функциональному объему устройства M_i):

,

3) Основные законы системной взаимосвязи (законы изменения параметра r_i в зависимости от функционального объема и принципов компоновки элементов)

1-й закон – для “общепроцессорного” принципа компоновки элементов в устройстве:

,

при этом:

.

2-й закон – для “микропроцессорного” принципа компоновки элементов в устройстве:

,

при этом:

.

2.2. Частные соотношения системной взаимосвязи:

1) Для определения числа каскадов элементов:

или: .

2) Для определения нагрузочной способности логических цепей:

– по выходу:

,

– по входу:

.

3.3. Формулы перевода характеристик структурного элемента в характеристики, выраженные в ЭЛЭ:

1) Для числа элементов:

.

2) Для числа каскадов элементов:

.

Основные компоновочные параметры рассчитываем по формулам системных компоновочных соотношений для заданного по условию микропроцессорного принципа компоновки. Результаты сведены в таблицы 2-5:

Таблица 2.

Таблица 3.