В.М. Микитин, Н.А. Смирнов, Ю.Д. Тювин - Основы компоновки и расчета параметров конструкций (1088651), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

– общее число входов/выходов БЛЭ,

– соотношение между числом входов и выходов в БЛЭ.

Такой БЛЭ обычно именуют как “эквивалентный ЛЭ” (ЭЛЭ), который можно представить себе в виде абстрактной модели БЛЭ, где его характеристики являются параметрами этой модели.

Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Иногда при оценке степени интеграции элементов пользуются понятием “эквивалентный логический вентиль” (или просто “логический вентиль”), содержащий 2 входа и 1 выход. Эффективность использования входов такого вентиля составляет примерно 0,7 – 0,8. Поэтому нетрудно заметить, что такая единица измерения степени интеграции значительно менее функционально емкая (примерно в 2 раза), чем вышеприведенный ЭЛЭ. Например, если интеграция устройства составляет 1000 логических вентилей, то это соответствует 500 ЭЛЭ, если 200 тыс. логических вентилей, то число ЭЛЭ равно примерно 100 тысяч.

Это обстоятельство является крайне важным и требует вполне определенной однозначности при проектировании и компоновке элементов, узлов и устройств СВТ. В дальнейшем, с целью однозначности трактовки ЛЭ, будем считать интеграцию в логических вентилях как коммерческую информацию, более пригодную для разработчиков и производителей БИС и СБИС, а интеграцию в ЭЛЭ как техническую информацию, предназначенную для целей компоновки элементов и устройств и проектирования их конструкций.

Функциональный объем M является более общим и широким понятием числа элементов в микросхеме, устройстве или ЭВМ. Он может быть выражен числом ЭЛЭ (т.е. степенью интеграции N), числом ИС, БИС или СБИС, числом функциональных узлов на ИС или функциональных блоков на БИС и т.д. Для того чтобы определить функциональный объем узла в ЭЛЭ (N₂), заданного, напр., числом ИС (M₂), необходимо знать также степень интеграции ИС в ЭЛЭ (N₁). В итоге функциональный объем такого узла можно определить по формуле:

(2.1)

Введение общего понятия “функциональный объем” важно при проведении процессов компоновки элементов в логической схеме, о чем речь пойдет несколько позже.

2.3. Число внешних контактов.

Внешние цепи элемента или устройства СВТ целесообразно выделить из общего числа логических цепей и связей в особую категорию. Если общее число связей накладывает существенный отпечаток на параметры конструкций кристалла (БИС, СБИС), подложки многокристального модуля (МКМ) и многослойной печатной платы (МПП) функционального узла, блока или устройства, то число внешних связей m (или, что то же самое, число внешних контактов, или число внешних цепей) накладывает существенный отпечаток на параметры конструкций и технологию изготовления корпусов элементов (БИС, СБИС, в т.ч. на топологию и организацию внешних выводов в кристаллах), разъемных и неразъемных соединителей узлов и блоков, параметры печатных, проводных и кабельных линий связи.

Известно, что число внешних контактов элементов и устройств с ростом их степени интеграции способно существенно увеличиваться. Учитывая современный высокий уровень развития микроэлектронной технологии, степень интеграции БИС и СБИС оценивается в десятки и сотни тысяч ЭЛЭ, что влечет за собой значительный рост числа внешних связей. Поэтому число внешних контактов в элементах и устройствах m является одним из особо важных компоновочных параметров логической схемы, играющим одну из ведущую ролей при компоновке и конструировании СВТ.

В этом плане задача разработчиков и конструкторов СВТ заключается в том, чтобы найти такие принципы организации вычислительных процессов и компоновки устройств на всех уровнях конструкции, которые бы существенно снижали темпы роста числа внешних связей по сравнению с темпами роста степени интеграции. Примером такого снижения можно считать использование принципов микропроцессорной и шинной (параллельной) организации вычислительных процессов в устройствах, ЭВМ и системах в отличие от традиционных общепроцессорных принципов, наиболее характерных для устройств ЭВМ III‑го поколения.

2.4. Соотношение между числом входных и
числом выходных внешних контактов.

Соотношение между числом входных и выходных внешних контактов в логической схеме “K” является важным параметром, характеризующем степень ее функциональной законченности (завершенности). Следует отметить, что понятие “функциональная законченность” (или “функциональная завершенность”) не вполне отражает свое название. Однако в конструировании электронных устройств ЭВМ это понятие и термин в целом довольно широко используется, в связи с чем автор решил его также применить. Речь идет о таком уровне интеграции элементов или, что вернее, интеграции устройства обработки в целом, при котором число внешних контактов достигает либо максимального значения, либо существенно замедляет свой рост при дальнейшем увеличении интеграции.

В представлении конструктора почему-то всегда считалось, что уровню интеграции ИС характерно свое минимальное число внешних контактов, БИС – свое, функциональному узлу или блоку – также соответственно свое. Казалось, что надо только найти значения этих уровней интеграции и вопрос может быть решен в пользу минимального числа внешних контактов. Однако, за время разработки двух поколений (III‑го и IV‑го) элементов и других СВТ эти уровни интеграции так и не были найдены и определены. И это не удивительно, т.к. функционально законченным (или завершенным) устройством можно считать, напр., процессор ЭВМ, или ЭВМ в целом, или даже вычислительный комплекс (ВК). Для элементов, узлов, блоков и ряда устройств, находящихся по уровню интеграции ниже процессора ЭВМ, можно говорить только о степени (или уровне) функциональной завершенности, которая в общем случае не отражает каких-то особых ситуаций, связанных с отклонениями (напр., замедлении или спаде) в росте числа внешних контактов при увеличении интеграции.

Вместе с тем, в распоряжении конструктора необходимо иметь некий схемный (компоновочный) параметр, который в определенной мере характеризовал бы элемент, узел или устройство по степени своей функциональной законченности и характеру происходящих в нем вычислительных процессов (напр., процесс обработки информации или процесс обмена информацией). Поэтому для оценки функциональной законченности логических схем элементов или устройств вполне обоснованным является использование в качестве компоновочного параметра коэффициента K, характеризующего собой соотношение между числом входных и выходных контактов, т.е.

При малых значениях уровня интеграции элемента число его входных внешних контактов m_вх, как правило, существенно превышает число его выходных внешних контактов m_вых, т.е. m_вх >> m_вых. С ростом степени интеграции устройства общее число внешних контактов m принципиально увеличивается, однако темпы увеличения числа входных и выходных внешних контактов различные: число входных с ростом степени интеграции увеличивается медленнее, чем число его выходных внешних контактов. Это значит, что при достижении устройством определенного уровня функциональной завершенности количество входных и выходных внешних контактов примерно равно друг другу, т.е. m_вх = m_вых, что можно представить соотношение K как минимальное и равное 1, или стремящееся к 1.

С другой стороны, нетрудно заметить, что максимальное значение параметра K будет при минимальной интеграции, т.е. при N = 1 ЭЛЭ, и составит для ЭЛЭ K_max = K₀ = 3.

Вместе с тем, уменьшение соотношения K с ростом интеграции устройства можно интерпретировать как уменьшение так называемого “компоновочного числа входов ЭЛЭ” от m_вх0 = K₀ = K_max до единицы (при K_min = 1), которое можно рассматривать как пропорционально убывающую зависимость от степени интеграции.

Таким образом, компоновочный параметр K характеризует, с одной стороны, диапазон изменения степени интеграции устройства, а с другой, – его функциональную законченность, при которой число внешних контактов является максимальным. Кроме того, условие K = 1 можно рассматривать также как своеобразное граничное условие для разных вычислительных процессов. Например, при K > 1 имеет место процесс преобразования и обработки информации в устройстве, а при K = 1 – процесс обмена информацией между устройствами. Такое разделение имеет важное значение при компоновке элементов и устройств и определении достоверных значений их компоновочных параметров и параметров конструкции.

2.5. Число каскадов элементов в логической схеме.

Известно, что информационный сигнал в процессе своего преобразования и выполнения заданной функции проходит в логической схеме через некоторое число каскадов элементов h. На каждом каскаде имеет место задержка сигнала, что в итоге характеризует скорость (или быстродействие) передачи информации в устройстве.

Число каскадов элементов является более общим понятием характеристики логической схемы. В зависимости от вида структурного уровня устройства этот параметр может быть выражен разными показателями: например, числом каскадов ЭЛЭ, числом каскадов ИС или БИС, числом каскадов функциональных ячеек и т.д. Использование этого общего понятия играет важную роль при проведении процессов компоновки элементов в логической схеме.

Наибольший интерес, независимо от вида структурного уровня, представляет характеристика схемы по числу каскадов элементов, выраженная числом каскадов ЭЛЭ (H). Для того чтобы определить число каскадов ЭЛЭ в узле, заданного, напр., числом каскадов ИС (h₂), необходимо знать (или определить) число каскадов ЭЛЭ в ИС (H₁). В результате общее число каскадов ЭЛЭ в таком узле Н₂ можно определить по формуле:

(2.2)

Наличие информации по числу каскадов элементов в логической схеме устройства позволяет оценивать более важные вторичные показатели быстродействия устройств с учетом задержки сигнала в линиях связи на любом уровне компоновки реальной конструкции. Сюда относятся показатели системного, функционального и тактового быстродействия, методы расчета которых с использованием параметров по числу каскадов элементов в устройствах приведены ниже.

2.6. Нагрузочная способность логических цепей.

Логические цепи являются вторым (после ЛЭ) по значимости объектом функционального структурного уровня СВТ. Без логических (электрических) цепей невозможно получить логическую функцию, точно также как невозможно ее получить без логических элементов.

Множество логических цепей, имеющихся в структурных уровнях элементов и устройств, подразделяются на 3‑и основных вида: разборные (разветвленные), сборные (объединительные) и сборно-разборные (или разветвленно-объединительные).

Разборная цепь характеризуется наличием одного источника (выходного контакта элемента) и n‑приемников (n‑входных контактов разных элементов). Это значит, что разборные цепи можно характеризовать параметром n, именуемым как нагрузочная способность логических цепей по входу. При n = 1 разборная цепь превращается в простую цепь (эквивалентную простой связи), соединяющую два контакта разных элементов. Следует отметить, что число связей в разборной цепи определяется ее нагрузочной способностью по входу n.

Сборная цепь характеризуется наличием одного приемника (входного контакта элемента) и l ‑ источников (l‑выходных контактов разных элементов). Следовательно, сборные цепи можно характеризовать параметром l, именуемым как нагрузочная способность логических цепей по выходу. При l = 1 сборная цепь превращается в простую цепь (простую связь), соединяющую два контакта разных элементов. Отметим также, что число связей в сборной цепи определяется ее нагрузочной способностью по выходу l.

Сборно-разборная цепь (иногда именуется как магистральная цепь) характеризуется наличием n ‑ приемников (входных контактов разных элементов) и l ‑ источников (выходных контактов разных элементов). Такие цепи характеризуются комбинацией параметров n и l, т.е. нагрузочной способностью как по входу, так и по выходу. При условии n = 1 и l = 1 сборно-разборная цепь превращается в простую цепь (связь), соединяющую два контакта (в данном случае 1‑входной и 1‑выходной) разных элементов. Необходимо отметить, что число связей в сборно-разборной цепи определяется суммой нагрузочных способностей цепи по входу и выходу за вычетом единицы, т.е. (n + l – 1).

В реальных логических схемах на любом функциональном структурном уровне (кроме 0‑го уровня, характерного для БЛЭ) могут иметь место все виды логических цепей. Однако характер их использования на этих уровнях имеет свои особенности, связанные с делением всех логических цепей на две основные группы: на внутренние цепи и внешние цепи. При этом внешние логические цепи подразделяются на внешние входные и внешние выходные. Таким образом, в целом на любом функциональном структурном уровне (уровне компоновки) имеет место, в зависимости от принадлежности, по существу 3‑и группы логических цепей: внешние входные, внешние выходные и внутренние. Если внешние входные цепи характеризуются использованием только разборного типа цепей, то внешние выходные цепи, наоборот, характеризуются использованием только сборного типа. Внутренние же логические цепи могут представлять собой различные сочетания разборных, сборных и сборно-разборных цепей.

Следует отметить одно обстоятельство. При заданном числе элементов и заданном числе внешних цепей можно получать различные функции в логической схеме узла или устройства при условии изменения значений параметров логических цепей по нагрузочной способности. При этом число внутренних цепей может изменяться в зависимости от параметров n и l и соотношений между ними.

Характеристики

Список файлов книги