Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Учет структуры уровней компоновки элементов и устройств является крайне важным и принципиальным моментом при проектировании конструкций. При этом наиболее важное значение имеют низшие уровни компоновки, входящие в состав устройств ЭВМ. Количество таких уровней может быть разным и зависит, как правило, от функционального объема (суммарного числа ЛЭ, т.е. интеграции) устройства, функционального объема (интеграции) отдельных его частей, компонуемых на своих уровнях, методов компоновки и др. Приведем краткое описание пяти основных низших компоновочных уровней.

0‑й уровень. Это исходный уровень (исходный нулевой базис), представляющий собой неделимый логический элемент (логический вентиль), выполняющий простейшие элементарные логические функции типа И, И‑НЕ. В качестве такого базиса используется эквивалентный (или условный) логический элемент (ЭЛЭ), содержащий 3 – 4‑е входа и 1 выход. Нулевой уровень является тем минимальным базовым элементом любого устройства ЭВМ, на основе которого строятся все последующие структурные уровни компоновки, превращаясь в элементы более высокого ранга.

1‑й уровень. Этот уровень, построенный на основе исходного 0‑го уровня, представляет собой совокупность (множество) ЭЛЭ, не имеющей внутренних структурных объединений. К 1‑му уровню компоновки можно отнести схемы элементов типа: ИС малой и средней степени интеграции и функциональных элементов (ФЭ) БИС, построенные на основе базовых или топологических ячеек (напр., ФЭ матричных БИС). Этот уровень можно именовать как уровень ФЭ.

2‑й уровень. Это уровень, построенный на основе схем элементов 1‑го уровня компоновки, в котором имеются внутренние структурные объединения в виде ИС или ФЭ БИС. Ко 2‑му уровню компоновки можно отнести функциональные узлы (ФУ) устройств типа: ТЭЗ на ИС, а также матричный БИС на ФЭ. Данный уровень можно именовать как уровень БИС, или уровень ФУ на ИС.

3‑й уровень. Это уровень, построенный на основе элементов 2‑го уровня компоновки, имеющий два вида структурных объединений: например, ФЭ и сам МаБИС. Сюда можно отнести множество функциональных блоков (ФБ) устройств, компоновка которых выполнена, например, в виде СБИС, содержащего ФУ и ФЭ; или в виде большого ТЭЗ, построенного на основе БИС, использующей ФЭ; или в виде панели, построенной на основе ТЭЗ, использующих в свою очередь ИС. Этот уровень можно именовать как уровень СБИС, или уровень ФБ на БИС.

4‑й уровень. Это один из наибольших низших уровней компоновки устройства в целом. На этом уровне осуществляется, главным образом, компоновка элементов 3‑го уровня, т.е. ФБ, входящих в данное устройство. Примером компоновки 4‑го уровня может быть компоновка обрабатывающего устройства процессора ЭВМ, выполненная в виде панели с ТЭЗами на БИС, или панели на многокристальных модулях (МКМ), построенных с использованием БИС. Этот уровень компоновки можно именовать как уровень устройства. Уровни устройств ЭВМ, объединяясь между собой в процессор, могут создавать 5‑й и др. уровни компоновки при необходимости.

Характеризуя уровни компоновки средств ВТ, необходимо иметь в виду, что наибольшим (т.е. конечным) низшим уровнем компоновки является тот, который содержит в своей основе объединительную печатную плату (или другой объединительный коммутационный элемент). Гипотетически любой из уровней компоновки (кроме 0‑го уровня) можно рассматривать в виде конечного. Например, уровень ФЭ или уровень БИС, в которых логическая схема устройства гипотетически могла бы быть реализована на кристаллах, имеющих очень большие размеры; или уровни ФУ и ФБ (напр., ТЭЗ на ИС или БИС), в которых для технической реализации заданной логической схемы устройства может рассматриваться многослойная печатная плата, условно имеющая неограниченные размеры и слойность. Поэтому самыми предельными (низшими) реальными уровнями компоновки устройств могут быть такие уровни как 4‑й или 5‑й, использующие в обязательном порядке объединительную печатную плату.

Вместе с тем, следует также отметить, что конструктивный уровень ЭВМ и уровень компоновки ЭВМ не являются тождественными понятиями и, как правило, они не совпадают по номеру уровня. Так, например, нулевой уровень не имеет соответствующего аналога в виде конструктивного уровня. Другой пример, касающийся БИС. Если БИС выполнена на основе только 0‑го уровня компоновки, т.е. на основе множества одних ЛЭ, то она относится к 1‑му уровню компоновки и соответственно к 1‑му конструктивному уровню, согласно известной (напр., в ЕС ЭВМ) классификации конструктивных уровней ЭВМ. В то же время матричная БИС (МаБИС) отличается от нематричной, т.к. в ней имеет место два уровня компоновки (1‑й – это уровень компоновки ЛЭ в ФЭ, а 2‑й – это уровень компоновки ФЭ в МаБИС). В результате получается, что МаБИС относится ко 2‑му уровню компоновки, а в конструктивном плане будет представлять собой 1‑й конструктивный уровень ЭВМ.

Аналогичная ситуация может иметь место и на других конструктивных уровнях ЭВМ более высокого ранга. Так, например, на панели, относящейся к 3‑му конструктивному уровню ЭВМ (по классификации ЕС ЭВМ), могут иметь место 4‑й и 5‑й уровни компоновки, или одновременно оба эти уровня вместе взятые.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ КОМПОНОВОЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ

2.1. Общая характеристика компоновочных параметров.

Практически любую логическую схему обрабатывающего устройства ЭВМ на любом компоновочном уровне можно характеризовать некоторым перечнем взаимосвязанных компоновочных (или схемных) параметров. Отражая специфику логической схемы, они, тем самым, накладывают отпечаток на ее конструкцию.

Параметры, о которых пойдет речь, характеризуют в равной степени как логическую схему, так и конструкцию, в которой эта схема реализована. Это означает, что для одного и того же структурного элемента ЭВМ имеет место два тождественных понятия: компоновочные параметры логической схемы и схемные параметры конструкции.

По отношению к логической схеме ее компоновочные параметры отражают результаты схемной компоновки структурного элемента (т.е. компоновка логических элементов, цепей и связей, в целом обеспечивающих схемное построение соответствующего элемента функциональной структуры ЭВМ: ФЭ, ФУ, ФБ и т.д.). Конструкция же является техническим воплощением логической схемы, обеспечивая неизменность ее функционального назначения и основных характеристик. Поэтому компоновочные параметры логической схемы по отношению к конструкции являются одновременно и схемными параметрами этой конструкции, которые используются в качестве исходной (первичной) информации при конструировании соответствующих элементов функциональной структуры ЭВМ. В дальнейшем при описании конструкции будем использовать понятие “схемные параметры”, а при описании логической схемы – понятие “компоновочные параметры”.

К числу основных компоновочных параметров логической схемы структурного элемента относятся: функциональный объем (общее число элементов в схеме), M; число внешних контактов (внешних связей), m; соотношение между числом входных и числом выходных внешних контактов, K; число каскадов элементов в цепочке преобразования и обработки информации, h; нагрузочная способность логических цепей по входу и выходу, n и l. Рассмотрим более подробно каждый из приведенных параметров.

2.2. Функциональный объем и степень интеграции.

Данный параметр СВТ является одним из основных и во многом определяет значения других компоновочных параметров логической схемы. Однако здесь требуется уточнение ряда понятий и их роли в процессе компоновки схемы и создания конструкции.

Часто под функциональным объемом понимают степень интеграции. Однако, учитывая различие в единицах измерения, эти понятия существенно отличаются друг от друга.

Степень интеграции N может быть выражена разными показателями, напр., числом компонентов, числом транзисторов или числом ЛЭ в логической схеме того или иного элемента или устройства. Разумеется, что значение уровня (степени) интеграции одного и того же элемента (напр., ИС или БИС) будет различным. Принято считать, что первые два показателя интеграции, по-своему отражающих уровень сложности и уровень достижений в микроэлектронной технологии, более пригодны для производителя этой продукции и могут использоваться, главным образом, в коммерческих целях.

В технической области, при проектировании и компоновке, степень интеграции элементов и др. СВТ в подавляющем большинстве определяют через число логических элементов (ЛЭ), выполняющих элементарные логические функции. Это, кроме других достоинств, позволяет сравнивать между собой по уровню интеграции элементы, узлы и устройства, выполненные на элементах с различной схемотехникой (типом логики).

Однако само понятие “логический элемент” требует уточнения, так как число входов и выходов в нем может колебаться в широких пределах. Минимальным элементарным логическим элементом, выполняющим элементарные логические функции типа И, И‑НЕ, является ЛЭ на два входа и один (прямой или инверсный) выход. Такой ЛЭ чаще всего именуют как “логический вентиль”.

В то же время имеют место элементарные (но не минимальные) логические элементы, выполняющие функции типа И, И‑НЕ, но имеющие, напр., 4‑е или более входов и, напр., 2‑а (парафазных) выхода. Разумеется, что функциональные возможности у такого ЛЭ, по сравнению с логическим вентилем, будут другими (в данном случае большими), что нельзя не учитывать при определении уровня интеграции элементов (ИС, БИС) и устройств на них. При оценке в логических вентилях степень интеграции элемента или устройства будет значительно выше, чем при оценке в других ЛЭ. Поэтому для однозначного (в достаточной мере) толкования степени (или уровня) интеграции элемента, устройства, процессора, ЭВМ и т.д. необходимо использовать унифицированный (базовый) ЛЭ, который мог бы служить своего рода эталоном меры количества (т.е. единицей измерения степени интеграции) логических функций в элементе или устройстве.

Надо сказать, что вопросу выбора такого базового ЛЭ (БЛЭ) всегда уделялось много внимания, но до стандартизованной однозначности дело не дошло. Вместе с тем, вопрос унификации и оптимизации характеристик БЛЭ назрел уже давно и без его разрешения невозможно проводить операции компоновки элементов и определять (и прогнозировать) значения основных компоновочных параметров логических схем целого спектра функциональных структурных уровней, следующих после БЛЭ.

Вопросу оптимизации числа входов в ЛЭ специально посвящена работа [7]. Один из важных выводов этой работы заключается в том, что наиболее оптимальным в ЛЭ является 3‑4 входа. В [8] показано, что при построении логических схем ФЭ и ФУ на основе БЛЭ с разным (но постоянным) числом входов последние используются с разной эффективностью ^вх. Так, напр., для 3‑х входового БЛЭ эффективность использования входов составляет ^вх = 0,92 – 0,95, а для 4‑х входового БЛЭ – ^вх = 0,75 – 0,8. Это значит, что среднее число используемых в схемах входов БЛЭ, определяемое как произведение исходного числа входов на показатель эффективности их использования в схемах ФЭ, составляет примерно от 2,8 до 3,2.

Приведенный пример с достаточной степенью достоверности свидетельствует, что среднее число входов ЛЭ примерно равно трем и это значение следует считать за эталон для БЛЭ.

Что же касается числа выходов в элементарном БЛЭ, то для большинства видов схемотехники элементов (напр., КМОП) это число равно 1. В этом плане особое исключение составляют ЭСЛ‑элементы, где наличие двух выходов (прямого и инверсного) обеспечивается спецификой схемы. Однако они не имеют 100% использования в схемах. Как правило используется один из них, хотя одновременное использование обоих также имеет место. Для оценки эффективности использования парафазных выходов в ЛЭ по сравнению с однофазным (при полном равенстве числа входов) может служить пример кристаллов БИС в многокристальных модулях, используемых в высокопроизводительных ЭВМ 3081 и 3090 фирмы IBM (США). Если кристалл БИС в ЭВМ 3081, использующий ТТЛШ‑элементы (с 4‑мя входами и 1‑м выходом) оценивался в 704 ЛЭ, то кристалл БИС в ЭВМ 3090 при том же адекватном функциональном объеме, использующий ЭСЛ‑элементы (с 4‑мя входами и 2‑мя выходами), оценивается в 612 ЛЭ. Это говорит о том, что схемотехника ЭСЛ при прочих равных условиях примерно на 12 – 15% более функционально емкая за счет использования парафазных выходов в БЛЭ.

Таким образом, представляется целесообразным и обоснованным использовать в качестве базовой единицы измерения (оценки) степени интеграции ИС, БИС, СБИС, а также построенных на их основе устройств, БЛЭ на 3 – 4 входа и 1 выход. При этом характеристиками такого БЛЭ являются следующие параметры:

– среднее число входов БЛЭ,

– число выходов БЛЭ,

Характеристики

Список файлов книги