Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 97
Текст из файла (страница 97)
п. Все схемы связаны с контактными площадками и через них осуществляется ввод-вывод информации, Элементной базой БИК служат различные варианты логических схем, ячеек памяти, расположенных в одном или двух ярусах, Существует большое число конструкгивнотехнологических решений схем базовых ячеек (рис. ! 3.3). Процесс развития технологии изготовления микросхем стимулировал работы по обьелинению в одном кристалле биполярных и МОП-транзисторных структур. Это направление получило название БиМОП-технологии, а при использовании комплементарных транзисторов — БиКМОП-технологии. а) б) а) Рис. 13.3. Примеры наборов злементав Лля базовых ячеек на МОП-транзисторах (в). ТТЛ логике (б) н ЭСЛ логике (в) пивным достоинством этих приборов микроэлектроники является соединение воет тина соквя треимуществ МОП и биполярных транзисторных структур. действительно, высо ость, шотность интеграции, низкая рассеиваемая мощность, высокая ломехоустойчнво 1я Базовые матричные кристаллы „арактерные для МОП-структур, сочетаются с хорошей выходной нагрузочной способностью и высоким быстродействием биполярных структур.
Концепция построения базовой ячейки вентиля на БиКМОП-структурах основана на до- ,олненин к станлартному КМОП-вентилю усилители формирователя тока на биполярных транзисторах (рис. ) 3.4). Аналогично можно сформировать БиКМОП-инвертор.
На основе таких элементов формируют схемы вентилей, применяемых в матричных кристаллах. В БиКМОП снижение тока стока МОП-транзисторов может быть компенсировано улуч,пением коэффициента усиления биполярных транзисторов, Рис. 13.4. Вариант БиМОГьтехнологии дпя БМК Таким образом, основой для всех базовых ячеек являются вентили различных конструкций.
Говорят о море вентилей в БМК. Достоггг<ства вентнльных матриц состоят в слелующем: конкретная схема может реализоваться при небольшом числе технологических операций, регулярность структуры позволяет потребителю быстро разработать свою конкретную подсистему с высокой вероятностью функционирования (95%). Таким образом. вентильные матрицы представляют собой некоторые полуфабрикаты изделий микроэлектроники, на которые нужно нанести Разводку по требованию заказчика.
Программируемые логические матрицы представляют собой готовые изделия, конструктивно содержащие две вентильные матрицы, например, матрицу элементов типа И и матРицу элементов типа ИЛИ, все узловые точки которых соединены днодамн. В ходе программирования по заланию заказчика каждое такое соединение либо размыкается, либо остается без изменения.
Итогом коммутации является нужная логическая структура типа И г ИЛИ. ПЛМ позволяет получить заданную комбинаторную булеву логику. Программируемые логические матрицы выпускаются как стандартные изделия, не тре- Уюшне дополнительных затрат времени и средств на специализацию. В этом случае длитетьность цикла разработки БИС сводится к минимуму, Программируемые логические м~~рицы удобны для малосерийных системных изделий. Роектирование схем на стандартных элементах заключается в подборе оптимизированиьш ььх функциональных блоков или стандартных ячеек, их размещении и коммутации. Про"сос изготовления схем на станлартных элементах идентичен процессу изготовления схе, хем, проектируемых вручную.
Стандартные ячейки выполняются в виде аналоговых оответствующих устройств малой и средней степени интеграции. Это могут быть арифметическо-логические устройства, регистры и т. п., называемые иногда макроэлементами. Часть П. Микроэлектронин на 4б4 13.2. Программируемые логические интегральные схемы Прагриимируемые логические ннтегралычые схемы (ПЛИС) роли'шсь в жесткой конкурентной борьбе, когда в микроэлектронике существуют две противоречивые тенденции С одной стороны, нужно сократить жизненный цикл изделия микроэлектроники, чтобы удовлетворить быстро меняющиеся требования заказчика. С другой стороны, надо постоянно повышать требования к сложности, быстродействию, потребляемой мощности, надежности и стоимости изделий микроэлектроники. Поэтому необходимо сокрашать цикэ проектирования с тем, чтобы на рынке появились новые изделия, соответствующие требованиям времени и прогресса. Масочные вентильные матрицы теряют свои преимущества при переходе на субмикронную технологию.
Дело в зом, что с масштабированием размеров свойства транзисторов улучшаются, а свойства межсоединений ухудшаются. Это происходит потому. что с уменьшением топологической нормы уменьшается сечение проводника и соответственно увеличивается его сопротивление. В результате задержка в линиях межсоединений ломи. пирует над задержкой сигнала в вентиле.
В межсоединениях нужно вводить лополнительный масочный слой для увеличения трассировочных ресурсов. Каждый дополни>ель ный слой при 0,35 топологической норме обходится поменее )5 тысяч долларов. Это об стоятельство осложняет производство БМК. Выход найден в программируемых логических микросхемах. Программированная логика обладает возможностью внутрисистемной репрограммируемости, что в сочетании с высо ьим быстродейсэвием и уров м интеграции, а также с малой потребляемой мощностью и низкой стоимостью позволяет ПЛИСам найти широкое применение, Наибольшее распространение получают МОП ПЛИС, имеющие более 100 тысяч кент нти, сиглеи, а также встроенную память и ядро системы-на-чипе: процессор, контроллеР, с нальный процессор, Эти схемы можно быстро переконфигурировать.
Логическая емкость определяется числом эквивалентных вентилей типа 2И вЂ” ) >Б. ассов По способам коммутации элементов логических матриц различают несколько «лас ПЛИС. . изба. Прагралг пир>емые логические матрнчы ПРРБА. Г|е)д РговгашпзаЫе Гчггау) состоят " зовых ячеек типа И и ИЛИ. Такая архитектура недостаточно полно используе~ прогр г ам мируемую матрицу ИЛИ. Можно интегрировать стандартный БИС.
В этом случае на одном кристалле можно местить систему на основе микропроцессора. Такой метод получил название не~иода и „ Нессорнага ядра или метода е> иерннтеграйнн, Второе поколение ПЛИС более сложно с точки зрения архитектуры и технологии из товления. Микросхемы, относящиеся к заказным, могут разрабатываться также по ячеечному при„ ципу. Ячеечные микросхемы представляют собой своеобразный гибрид из стандартнь, ячеек, который конструируется одновременно с разработкой микросхемы.
С точки зрения экономики производства этот тип БМК занимает промежуточное полол,е ние между полностью заказными схемами и схемами на стандартных ячейках. Иногда отождествляется проектирование микросхем на стандартных ячейках и ячеечное проев. тирование, а соответствующие микросхемы называют ячеечными.
!3. Базовые матричные кристаллы Лргэграилгнруаиая ээатрнчная .козина (РА!., Ргоагапэша!э)е Аггау ).оя!с) содержит программируемую матрицу И и фиксированную матрицу ИЛИ. К этому типу относится большинство ПЛИС небольшой степени интеграции. Драгранлшруелгые коичутпруемые .чагнрниы (СР1.О, Сошр)ех Рголгашша)э)е Ьов!с рийесез) содержат матричные логические блоки, объединенные коммутационной матрицей. Это ИС высокой степени интеграции с программируемой матрицей И и фиксированной матрицей ИЛИ.
Орогральицруечые веппнагьпыв.чагврняы (ГРСА, Р!е!б РгоцгапэтаЫе Саге Аггау) состоят из логических блоков (ЛБ) и коммутирующих соединений блока ввода'вывода информации. Коэнфигурнруел~ы!к логнческнй блок (СЕВ, Сопбяцгеб 1 оп!с В)ос)г] представляет собой комбинацию таких элементов, как ОЗУ, регистры, функциональные генераторы (рис. 13.5).
Рис. 13.5. Вариант базового блока ПЛИС типа РРСА: СЬВ— конфигурируемый логический блок Для программирования логического устройства используются СОЗУ, ОЗУ базового блока„размещенные вблизи логических ячеек, выполняют задачи конфигурации системы, функции управления. Такие ПЛИС имеют более !Ов вентилей, что позволяет их легко реконфигурировать, встраивать нужные функции. ПЛИС выполняются по КМОП-технологии по 0,35 или 0,25 мкм топологическим нормам с пятислойной металлизацией, Напряжение питания логических устройств составляет 2,5 В, лля контактных площадок ввода!вывода требуется источник питания 3,3 В.
Фирмы, выпускающие ПЛИС, разрабатывают свою архитектуру, основными элементами которой явлвотся конфигурируемый логический блок, блоки ОЗу, блоки ввода'вывода информации и т. д. Стреми~ельное развитие архитектурных решений ПЛИС вызвало к жизни новые их разновидности, связанные с расширением их функциональных возможностей. В ПЛИС ~страиваются специализированные блоки программируемых логических ядер. Они прелставляют собой программируемые устройства, содержащие ячейки специализированных ИС и блоки программируемой логики.
Такое ядро называется вой-авром. Это виртуальный компонент, не имеющий строгих геометрических границ. Для выполнения вой-яэзром логических функций не существует физических атрибутов. Часть !!. Микроэлектроника ' Встроенное программируемое аппаратное ялро ~Баггу-ядро~ позволяет реализовать раз,' личные функции по требованию заказчика. Нагд-ядро является виртуальным компонен.' том с заданными параметрами, которые описаны на физическом уровне. По уровню характеристик зой-ядро уступает аппаратным Ьагб-ядрам. развитие ПЛИС позволяет сократить цикл проектирования современных цифровых сне. тем, сохранить гибкость конструкции и использовать новейшие технологические роше ния Эти вопросы решаются благодаря способности ПЛИС вносить изменения в конст.
рукцию системы на любом этапе процесса проектирования. При этом ПЛИС отвечаег сочетанию таких характеристик, как оыстродействие, минимальная потребляемая мош ность, уровень интеграции и стоимость, Контрольные вопросы К Что такое БМК2 2, Что такое заказная ИСч 3 Что такое нолузаказная ИС9 П Какова структура ЬМК9 К Что такое программируемая логическая ИС? ?екомендуемая литература Домрачеев В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
