автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование и синтез специализированных электронных средств на базе МБИС

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

, „ - л п

1 '' и :5

о г шоп до?

На правах рукописи

Руфицкий Михаил Всеволодович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА БАЗЕ МБИС

05.13Л6 - "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях",

05.27.01 - "Твердотельная электроника, микроэлектроника и ианоэлектроника"

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Пескова С.А. доктор технических наук, профессор Шахнов В.А. доктор технических наук, профессор Коробов Л.И.

Ведущая организация - ОАО Научный исследовательский центр электронной вычислительной техники (НИЦЭВТ)

Защита состоится 0 5~ 1997 г. в /У часов на заседании

диссертационного совета Д 063.56.02 в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э.Циолковского по адресу: 125351, Москва, ул. Оршанская, д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАТУ

Автореферат разослан оь _1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Метёлкин Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы наблюдается устойчивый рост номенклатуры выпуска цифровых электронных средств (ЭС) самого широкого назначения. Основу этих ЭС составляют специализированные большие интегральные схемы (БИС), большинство из которых выполнено на основе базовых матричных кристаллов (БМК). Внедрение БМК в отечественную промышленность позволяет более чем на 2 порядка уменьшить массо-габаритные характеристики и трудоемкость проектирования специализированной аппаратуры, на 1-2 порядка повысить ее надежность.

Выпускаемые в настоящее время БМК содержат несколько сотен тысяч вентилей на кристалл. Наблюдается устойчивая тенденция роста степени интеграции кристалла. На кристаллах с такой степенью интеграции возможен синтез полностью законченного в функциональном отношении интегрального электронного средства. Как правило, большинство из проектируемых ЭС рассчитаны на цифровую обработку информации. Однако при увеличении степени интеграции специализированных цифровых электронных средств (СЦЭС) на базе матричных больших интегральных схем (МБИС) традиционные методы их разработки приводят к недопустимому росту времени проектирования, что сводит на нет все преимущества частичного проектирования на заказ. Применение систем сквозного автоматизированного проектирования также дает невысокие по качеству проектные решения из-за отсутствия единства критериев оптимизации на различных этапах проектирования и очень большой размерности задачи. Особенно большие проблемы возникают при переходе на кристаллы сверхвысокой степени интеграции. В результате изготовители БМК идут далеко впереди разработчиков аппаратуры на их основе.

Выход из этого положения лежит на путях создания методов снижения размерности задачи за счет распараллеливания процесса автоматического проектирования и создания моделей, обеспечивающих сквозной синтез СЦЭС на базе МБИС. По определению сквозной автоматический синтез топологии БМК на основе его функционального описания называется кремниевой компиляцией. В настоящее время кремниевые компиляторы созданы для программируемых логических схем.

Несмотря на попытки создания кремниевых компиляторов как в нашей стране, так и за рубежом все они остаются узкоспециализированными, имеют весьма ограниченную область применения и требуют для своей работы очень больших вычислительных ресурсов (как правило, современных рабочих станций). До настоящего времени отсутствует проработка общей методологии моделирования специализированных ЭС на базе МБИС с целью распараллеливания процесса их синтеза и использования крем-

ниевых компиляторов. Открытыми остаются проблемы оптимизации конструкций специализированных ЭС в процессе их синтеза на кристалле БМК.

Вместе с тем, трудами крупнейших отечественных и зарубежных специалистов в области автоматизации проектирования электронных средств к настоящему времени создана мощная теоретическая база а следующих трех направлениях, являющихся основой для моделирования и автоматического синтеза специализированных ЭС на базе МБИС, - это разработки в областях:

-логического проектирования дискретных устройств: Баранов С.И., Глушков В.М., Майоров С.А., Закревскии А.Д., Мищенко А.Т., Новиков Г.И., Поспелов Д.А., Скляров В.А., Хартмаянс Д. и др.;

- автоматического схемотехнического проектирования: Баталов Б.В., Бененсон З.М., Вермпшев Ю.Х., Глориозов ЕЛ., Дмитриевич Г.Д., Ильин В.Н., Казенное Г.Г., Ланцов В.Н., Норенков И.П., Петренко А.И., Сигорский В.П., Фролкин В.Т., Брейтон Б., Калахан Д., и др.;

- теории проектирования топологии БИС и СБИС: Абрайтис Л.Б., Базилевич Р.П., Бершадскин A.M., Бодрягин В.И., Деньдобренько Б.Н., Куреичик В.М., Лошаков В.Н., Мелихов А.Н., Морозов К.К., Назаров A.B., Одинокое В.Г., Петухов Г.А., Рябов Л.П., Сыпчук П.П., Тетельбаум А.Я., Брейер М. и др..

Необходимо отметить еще одни аспект проблемы: рост степени интеграции БМК внес качественные изменения в моделирование специализированных ЭС и в процесс их автоматизированного проектирования, поскольку затронул их критериальные основы. В условиях, когда площадь элементов стала соизмерима с площадью соединяющих их проводников, стал необходим поиск новых моделей и подходов к процессу автоматического синтеза ЭС на одном кристалле, подразумевающих учет множества разнокрнтериальных методов функционально-конструкторского проектирования.

Таким образом, в числе наиболее актуальных выделяется проблема теоретического обобщения известных в настоящее время методов автоматизированного проектирования специализированных ЭС с целью устранения причин, тормозящих их синтез на базе БМК в условиях роста степени интеграции кристаллов.

Цель работы и задачи исследований. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке, теоретическом обосновании п апробации моделирования и синтеза специализированных цифровых ЭС на базе матричных БИС с целью их качественного автоматического проектирования в условиях увеличения степени интеграции кристаллов.

Основнмми задачами работы являются:

1. Теоретическое обобщение н анализ методов и алгоритмов синтеза специализированных цифровых ЭС в условиях роста сложности и степени интеграции БМК.

2. Построение и исследование математической модели и принципов параллельного автоматического синтеза ЭС.

3. Развитие теории и разработка принципов бессхемиого проектирования ЭС на базе МБИС.

4. Разработки методов оптимизации конструкции ЭС на базе МБИС в процессе его синтеза.

5. Разработка, экспериментальные исследования ц внедрение математического и программного обеспечения системы параллельного синтеза ЭС в промышленность и в учебный процесс вузов.

Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. Аналитические методы базировались на положениях теории .матричных БИС, структурной теории машин, теории автоматов, теории графов, теории вероятности, теории множеств и теории гнперсетей. Численные методы применялись при решении задач проектирования специализированных ЭС на базе матричных БИС на ЭВМ, в частности использовались методы целочисленного и динамического программирования.

Достоверность полученных результатов подтверждена проведенными исследованиями и НИР по синтезу специализированных ЭС.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Впервые разработаны методы параллельного моделирования и параллельного синтеза специализированных цифровых ЭС на базе МБИС.

2. Предложена, исследована и реализована гиперсетевая математическая модель специализированных цифровых ЭС.~

3. Разработан математический аппарат бессхемного синтеза специализированных ЭС на базе МБИС с жесткой логикой и правило кодирования управляющего автомата (УА), оптимизирующего аппаратные затраты.

4. Разработаны принципы обеспечения устойчивости функционирования ЭС в процессе его синтеза.

5. Разработана вероятностная математическая модель топологического синтеза МБИС.

6. Теоретически доказана возможность моделей параллельного синтеза ЭС, разработаны методы построения этих моделей.

Практическая ценность. Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проводимой на кафедре "Конструирования и технологии радиоэлектронных средств" Владимирского государственного университета и кафедрой 404 МАИ в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР под руководством и участии автора. Основные практические результаты работы позволяют:

- использовать программное обеспечение для разработки в автоматическом режиме сложных специализированных цифровых ЭС на ЭВМ средней производительности;

- повысить устойчивость функционирования ЭС за счет моделирования и учета влияния межсоединений в процессе их синтеза;

- обеспечить синтез фотошаблонов слоев .металлизации МБИС без этапов ручной доразводки соединений;

- перейти на кристаллы меньшей площади за счет оптимального кодирования управляющего автомата (УА) ЭС.

Внедрение результатов работы. Разработанное программное и методическое обеспечение подсистем моделирования и синтеза специализированных электронных средств внедрены и переданы для внедрения в следующие организации: ЦНИИ "Гранит", г. Санкт-Петербург, АО "Электроприбор" г.Владимир, АОЗТ "КБ Радиосвязи", г.Владимир, Государственный научно исследовательский лазерный центр, г. Радужный, Ковровский электромеханический завод, г. Ковров и ряд других предприятий. Кроме того, разработанное методическое и программное обеспечение внедрено в учебный процесс вузов: Московский авиационный институт г. Москва, Владимирский государственный технический университет г. Владимир.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Концепция параллельного синтеза специализированных цифровых ЭС на базе матричных больших интегральных схем.

2. Математическая модель автоматического синтеза'специализированных ЭС с жёсткой логикой на рашшх этапах синтеза.

3. Теоретическое обоснование и методы построения функционально-конструкторской модели специализированных ЭС на базе БМК.

4. Математическая модель автоматического синтеза топологии монтажных плат ЭС на основе полей вероятности трассировки.

5. Технологический процесс синтеза при параллельном проектировании ЭС.

6. Принципы обеспечения устойчивого функционирования проектируемого электронного средства в процессе его синтеза.

7. Комплекс прикладных задач, реализующий разработанные модели и алгоритмы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на

следующих научно-технических конференциях (НТК): Всесоюзной НТК "Методы и

средства борьбы с помехами в цифровой технике" г.Каунас 1986 г.; Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований в области качества и надежности РЭА и ЭВА г.Москва 1987 г.; Всесоюзной межотраслевой НТК "САПР приборов и агрегатов", г.Суздаль 1991 г.; Всероссийской НТК "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог 1992 г.; семинаре Центрального Российского Дома знаний "Зарубежные САПР-опыт адаптации и применения", г.Москва 1992 г.; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры", Г.Владимир, 1994; международной летней школе "Стандарты в автоматизированном проектировании электронных систем", г. Прага, Чехия 1996 г.; НТК ученых Владимирского государственного технического университета 1988-96 гг.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в одной монографии и 32 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 279 страницах, включая 74 рисунка и 34 таблицы, а также списка литературы из 220 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, приведены краткие аннотации глав.

Первая глава посвящена постановке задач исследовании и их обоснованию. Представлен анализ состояния вопроса автоматизации проектирования специализированных ЭС на базовом матричном кристалле, выделены главные причины, сдерживающие полную автоматизацию этого процесса. Основные результаты этой главы опубликованы в монографии [4| и в работах [1,5, 8,10,11 и др.].

На основании проведенного в главе анализа определяется практическая необходимость и актуальность решения задач, подлежащих исследованию и разработке, в результате чего:

1. Установлены основные конструктивные параметры матричных КМОП БИС, определяющие различие их типов: степень интеграции, число вход-выходных элементов, число слоев коммутации, число каналов коммутации и их конструкция, геометрическое объединение групп транзисторов, размеры базовых элементов и др. и рассмотрено влияние каждого из них на методику моделирования и синтеза специализированных ЭС на нх основе средствами САПР.

-62. Определена основная тенденция развития матричных БИС: непрерывный рост степени интеграции к увеличение быстродействия проектируемых устройств. Преимущественное развитие получили БМК, выполненные по КМОП-технологии из-за лучшей помехоустойчивости, малой потребляемой мощности и простоте конструкции, что позволяет широко использовать методы автоматизации при синтезе специализированных ЭС на их основе.

3. Показано, что существующие САПР БИС имеют четко выраженную поэтапность, свойственную методике синтеза конструкций РЭА 1...4 поколений: на начальном этапе синтезируется электрическая принципиальная схема, а на конечном -конструкция БМК. В современных ЭС площадь элементов стала соизмерима с площадью проводников БИС, поэтому большинство известных методов логического синтеза нуждаются в существенной модификации для обеспечения возможности оптимизации с их помощью не только количества оборудования - вентилей БМК - но также и общей площади межсоединений.

4. Основным требованием автоматизированного синтеза специализированных ЭС на базе МБИС является обеспечение 100 процентной трассируемости кристалла. В настоящее время это требование обеспечивается за счет потерн полезной площади БМК: до 30-40% всех вентилей БМК оказывается не задействованными. Эффективным методом обеспечения 100 процентной трассируемости при минимальной потере полезной площади БМК является глубокая обратная связь между логикой работы ЭС и его конструкцией в процессе синтеза.

5. Установлено, что существующий в настоящее время уровень автоматизированного проектирования специализированных ЭС на базе матричного кристалла не соответствует технологически достижимому уровню их интеграции. В результате изготовители БМК идут далеко впереди разработчиков аппаратуры на их основе. Ликвидировать это отставание позволит разработка качественно иовых принципов моделирования и синтеза специализированных ЭС. Одним из таких принципов является принцип распараллеливания процесса проектирования матричного кристалла, начиная с ввода в ЭВМ исходного описания функций специализированного ЭС и заканчивая получением готовых фотошаблонов заказных слоев БМК, реализующего это ЭС.

6. Вскрыты причины, тормозящие процесс использования многопроцессорных вычислительных средств и развитие автоматических систем синтеза специализированных ЭС на базе МБИС. Показано, что для устранения этих причин необходимы:

- разработка методологии моделирования специализированных ЭС в процессе их автоматического синтеза и создание экспериментальной версии программного комплекса:

-7- математическое моделирование конструкции специализированных ЭС на всех этапах проектирования;

- оптимизация конструкторско-техиологическпх характеристик специализированного ЭС на ранних этапах проектирования;

- обеспечение устойчивости функционирования ЭС в процессе его проектирования;

- разработка и исследования в промышленности математического и программного обеспечения, реализующего предложенные в работе модели, принципы, методы и алгоритмы синтеза специализированных цифровых ЭС на базе БМК.

7. Для реализации перечисленных выше задач в диссертации разрабатываются методы и алгоритмы:

Вторая глава содержит теоретический анализ проблемы непрерывного моделирования специализированных цифровых ЭС на базе МБИС в процессе их автоматизированного синтеза, формулировку и доказательства основных теоретических положений, лежащих в основе разрабатываемых в диссертационной работе алгоритмов и моделей. Главной целью теоретических исследований явилась разработка и исследование методологии распараллеливания процесса проектирования специализированных ЭС на базе МБИС в условиях непрерывного роста степени интеграции кристалла [1, 3, 4, 7, 28 и ДР-1-

Известно, что в пределах одного такта логика работы специализированного цифрового ЭС с жесткой логикой на базе МБИС может быть описана системой логических уравнений вида:

У = Г(Х), # (1)

где ХШ' = 7* - множество булевых переменных. Смысл предлагаемой в диссертации математической модели состоит в установлении взаимно-однозначного соответствия между логическими переменными множества булевых функций и координатами в поле БМК проводников сигналов, кодирующих эти переменные.

В смысле функционирования специализированного цифрового ЭС с жесткой логикой, множество X является множеством входов, а множество У - множеством выходов так называемого (п, к) - полюсника, причем: для моделирования специализированного ЭС в процессе его синтеза предлагается использовать гиперсеть:

Ф={ЯД,Ц, (2)

в которой К - множество ребер, каждое из которых соответствует одному терму системы логических уравнений (СЛУ): Т - множество вершин, каждая из которых представляет одну из переменных множества 1_, - множество уровней, причем Ц - й

уровень соответствует части плошали кристалла, на которой реализовала ]-я часть СЛУ.

Взаимно-однозначное соответствие СЛУ (1) и атрибутов гиперсети (2) предполагает установление взаимно-однозначного соответствия переменных СЛУ и вершин ¡множества Т, позволяя тем самым распараллелить процесс синтеза МБИС. Пусть часть вершин множества Т соответствует входам и выходам (п, к)-полюсника, то есть:{ХиУ} с Т. Каждому ребру г б И. поставим в соответствие один терм системы логических уравнений 1, то есть:

Г;-^) (3)

Согласно определению терма как совокупности булевых переменных, подчиненных одной и той же элементарной булевой операции, в выражении (3): - элементарная булева

функция, вычисляющая значение некоторой булевой переменной. Обозначим последнюю через I,, тогда ^ = Г,(Т.), причем г! \Т. Будем говорить, что ребро (3) вводит в гиперсеть (2) вершину I. на множестве Т^

г.-I, =Г(Т,), (4)

Введение новых переменных в гиперсеть (2) согласно (4) приводит к образованию новых термов, а следовательно, и к возможности организации по (3) новых ребер множества II и так далее.

Введем два определения: 1) два графа первичной гиперсети, моделирующей две произвольные СЛУ, эквивалентны в том случае, если равны собственные функции этих СЛУ; 2) реализация ребра г, еЛ на БМК, вводящего в гиперсеть (2) вершину I, на множестве вершин - есть процедура установления соответствия: Т] - ,

~1|, г, ~р, еР, где Р множество установочных позиций базовых элементов БМК.

Пользуясь определениями (1) и (2), сформулируем теорему, дающую теоретическое обоснование предлагаемого в диссертации метода моделирования специализированных цифровых ЭС, позволяющего распараллелить процесс их синтеза на кристалле БМК с повышенной степенью интеграции.

ТЕОРЕМА I: Для реализации гиперсети на БМК достаточно реализовать по определению (2) все ребра этой гиперсети.

Для того чтобы показать этот факт, выберем произвольное логическое уравнение из СЛУ (1) вида у = Р'(х). Переходя от множеств X и У к множеству Т вершин гиперсети, представим исходное уравненне в виде (-- Р'(Т). По определению гиперсети каждому ребру гиперсети соответствует некоторый терм (3) этого логического уравнения. Выделяя первое такое ребро (г,) и реализуя его на кристалле, согласно (4) получаем представление исходного уравненне в виде: I = Г,(Т,) -ь Р'(Т. I,). При условии

продолження итерационного процесса выделения новых ребер до окончания реализации последнего, ш-го ребра, фактически осуществляется обработка логического уравнения вида:

»=(да;)> (?)

эквивалентного исходному. Подставляя каждое логическое уравнение исходной системы (1) в виде (5), покажем справедливость высказывания утверждения в общем случае.

Формализовать процесс реализации гиперсетн на КМ К позволяет предложенный в диссертации точный графический аналог графа первичной сети гиперсети С в виде коммутационно-топологической схемы (КТС), которая строится в следующем порядке:

1. Области междурядных трасс общего плана БМК заменяются на КТС горизонтальными линиями, на которых (и только на них) разрешается располагать вершины множества {Т}. Последние, называемые уровнями КТС, устанавливают соответствие Г~Ь н вкладывают топологический смысл в каждый такой уровень Ь е С.

2. Ряды вентилей БМК изображаются на КТС цепочкой стоящих вплотную прямоугольников, соответствующих базовым ячейкам БМК. Ребра гиперсети размещаются в ячейках КТС.

3. Каждую вершину г, е Т из множества вершин, входящих по (3) в ребро, соединяют дугой, ориентированной от вершины к ребру.

4. Каждое ребро соединяется с вводимой им по (4) вершиной дугой, ориентированной от ребра к вершине.

В результате КТС реализуется на БМК пофрагментно. В качестве смыслового содержания теоремы 1 на рисунке 1 представлены два варианта реализации одной и той же КТС, моделирующей СЛУ: У1 = Х1(Х2 + ХЗ); У2 = Х4 + Х2 + ХЗ + XI ■ Х2.

Определение 3: фрагментом гиперсетн на БМК называется произвольный участок БМК, площадь которого достаточна для реализации собственных функций У = Р^Х), а периферия содержит только переменные из множества 2 = X 4- У.

Для того чтобы гарантировать полную пофрагментную реализацию гиперсетн на БМК, в диссертации доказана следующая теорема:

ТЕОРЕМА 2: любые два фрагмента, удовлетворяющие определению 3 являются взаимно-независимыми, то есть не содержат общих топологических элементов.

Доказательство теоремы ясно из рисунка 2. Принятие гиперсетевой модели специализированных цифровых МБИС на базе БМК позволяет распараллелить процесс синтеза кристалла и оперировать не с принципиальной электрической схемой, а с СЛУ его функционирования.

t, ч

/ J к

г 1 Г 2 Г 3 г4 5

х, X, Х3 t, х4

X х2 Х3 Х4

Рис.1. Варианты двухуровневой (а) н трехуровневой (5) реализации СЛУ: Y1=X1(X2+X3); Y2=X4+X2+X3+X1X2

X

1 а У

"Л

2И-И г:

2ИЛИ-НЕ

х , Xj

S(n)

1! * i

¡; ! 1 а % У а

A t Г i

, --в— i т ; * i

i " » —fij —1—i- —« 1

а)

б)

у

а

X3~Z3

г.)

Рис.2. Коммутаииошю-тонологическап схема Y=X! Х2+ХЗ (а), • гофра,-мстиая реализация КТС (б) и закрепление ан налов ' за периферийными точками фрагментов (в)

Третья глава посвящена разработке структурной схемы процесса фрагментарного синтеза специализированных ЦЭС на основе непрерывного моделирования. Так же представлены разработанные математические модели, отражающие взаимную связь структурной схемы. Результаты исследований опубликованы в работах [1, 3, 4, 7, 9, 15, 23, 28 и др.].

Выбор и обоснование моделей специализированных ЭС, обоснование формы исходного задания и ее трансляция во внутримашинное представление, представленные в третьей главе, решают проблемы математического моделирования и последующего распараллеливания процесса синтеза по отдельным фрагментам. В частности, решаются задачи представления функций и структуры специализированного ЭС, их связь с конструкцией базового матричного кристалла на уровне гиперсети и др.

Основными аргументами в пользу выбора алгоритма функционирования специализированного ЭС в качестве исходного описания на синтез и моделирование МБИС является то, что такое представление :

- в наибольшей степени отвечает требованиям минимизации объема исходных данных;

- позволяет наиболее полно проверить исходные данные на наличие ошибок, путем моделирования на ЭВМ алгоритма работы специализированного ЭС;

- упрощает процедуру абстрактного синтеза МБИС методом параллельного наращивания структуры кристалла;

- согласуется с общепринятым подходом к разработке сложных цифровых систем и устройств;

- позволяет воспользоваться для формализации входного задания языками программирования высокого уровня.

Форма входного языка описания специализированного ЭС определена на уровне подмножества языка \ТГОь, являющимся одним из базовых стандартов для моделирования электронных схем. Для последующего успешного моделирования и параллельного синтеза специализированного ЭС па МБИС в диссертации предложен язык СИНТЕЗ, использующий базовые определения языка У1ШЬ.

Структурную схему автоматического процесса синтеза специализированного ЭС на базе МБИС можно представить в виде алгоритма функционирования пакета прикладных программ. В общем случае этот алгоритм включает четыре шага: ввод СИНТЕЗ-программы, генерация системы логических уравнении функционирование специализированного цифрового ЭС, выделение отдельных частей системы и реализация сформированных таким образом фрагментов па кристалле.

Содержание первого шага алгоритма синтеза специализированного ЭС - ввод СИНТЕЗ - программы функционирования МБИС - состоит в разделении функций

операционного и управляющего автоматов на основе анализа н трансляции операторов СИНТЕЗ-программы. Эту функцию программного обеспечения выполняет та часть программы, которая строит описание операционного автомата в виде таблицы операционных структур и описание управляющего автомата на языке "Микропрограмма". Содержание второго блока алгоритма синтеза сводится к автоматическому формированию системы логических уравнений работы отдельных операционных блоков (комбинационных схем), отсутствующих в библиотеке базовых элементов кристалла: сумматоров, сдвигателей, формирователей кодов и др.

Содержание третьего блока алгоритма синтеза МБИС - генерация системы логических уравнений управляющего автомата, основу которого составляют алгоритмы синтеза конечных автоматов с использованием гнперсетевой модели, описанной во второй главе диссертации.

В основе работы последнего блока алгоритма положен принцип декомпозиция СЛУ на части и последующей пофрагментной реализации этих частей на БМК.

В заключении третьей главы кратко описана структура разработанного в диссертации транслятора СИНТЕЗ-программы и приведены его основные отличия от известных языков регистровых передач, применяемых обычно для описания функций цифровых ЭС:

- язык СИНТЕЗ содержит средства подключения аппаратурных образов, затребованных его операторами стандартных функций;

- разработанный транслятор языка СИНТЕЗ автоматически генерирует описание цифрового автомата на языке "Микропрограмма";

- базовые конструкции языка легко адаптируются к стандартам УНЮ1,.

Функциональное описание специализированного цифрового ЭС на языке СИНТЕЗ

составляется исходя из логики работы устройства с использованием набора функций, реализованных в библиотечных базовых элементах с реальными временными и топологическими параметрами. Такой подход позволяет синтезировать ' алгоритм, наиболее оптимальный для данного БМК. Разработанный в рамках диссертации транслятор с языка СИНТЕЗ генерирует описание операционного и управляющего автоматов цифрового специализированного ЭС в виде таблицы операционных структур, содержащих микрооперации и таблицы описания У А на языке "Микропрограмма".

Синтезированная на основе трансляции система логических уравнений функционирования цифрового специализированного ЭС позволяет описать его функционирование в общем виде. Последующая декомпозиция СЛУ позволяет разбить всю систему на отдельные фрагменты и осуществить фрагментарный синтез МБИС методами последовательного наращивания структуры кристалла.

Средства языка СИНТЕЗ позволяют описывать однокристальные специализированные цифровые ЭС достаточно высокой степени сложности, такие как многоразрядные сумматоры, преобразователи кодов, многофункциональные буферы данных и некоторые другие. В таблицах 1, 2, 3 приведены в качестве иллюстрации исходное описание на языке СИНТЕЗ последовательного преобразователя кода Грея в двоичный код, его таблица операционных структур и описание управляющего автомата. Следует отметить хорошую адаптацию разработанного в диссертации языкового обеспечения к международным стандартам описания устройств - УНПЬ.

Четвертая глава посвящена разработке методов оптимизации функционально-конструкторской модели специализированного цифрового ЭС по критерию минимума площади реализующего его БМК. В этой главе предлагаются методы минимизации площади БМК на этапах абстрактного и структурного синтеза ЭС. Результаты исследований опубликованы в работах: |2, 4,5,14, 25, 28 и др.].

На этапе абстрактного синтеза специализированного цифрового ЭС основное внимание уделяется разработке методов формирования СЛУ, содержащей только необходимое и достаточное число компонентов для описания его функционирования. Согласно исследованиям, проведенным во второй главе, основной операцией, влияющей на площадь БМК на этапе абстрактного синтеза является кодирование состояний УА. В результате исследований четвертой главы показано, что в процессе кодирования состояний памяти УА на ЯБ - триггерах основное влияние на размер кристалла оказывают два взаимосвязанных фактора: разрядность кода и число функций возбуждения (К.р и Кф), которые имеют следующие ограничения в области решений:

1о5,п<Кр<п<К+<п2, (6)

где п -число состояний УА специализированного цифрового ЭС.

Для оценки качества кодирования обычно используется следующий критерий: ак = {'(К. ,_КФ). Однако, как показано в диссертации, при минимизации критерия ак в

первую очередь следует сокращать число функций возбуясления, а во вторую - разрядность кода внутренней памяти УА. Поэтому более целесообразно принять критерий эффективности кодирования в виде:

аь=1о8](Кр,Кф2), (7)

В работе предложен алгоритм автоматического кодирования состояний УА специализированного цифрового ЭС на основе минимизации критерия (7). Опыт эксплуатации современных САПР ЭС показывает, что основная сложность решения задачи минимизации числа функций возбуждения заключается в том, что решение методом полного перебора становится невозможным уже при средних значениях

псходного задания па синтез ЭС. В то же время каждое новое ЭС может содержать совершенно отличный от предыдущего набор состояний и переходов.

Для успешного решения поставленной задачи в диссертации предложено формировать кодировочный массив по одним и тем же правилам для любою специализированного ЭС, а в дальнейшем каждый из заданных алгоритмов приводить к виду, позволяющему выбрать однозначное соответствие кодов - состояниям проектируемого ЭС. Очевидно, что такой подход позволит, не проводя полного перебора, найти вариант кодирования состояний из группы вариантов с минимальным числом функции возбуждения внутренней памяти.

Суть предлагаемою метода покрытия кодов заключается в построении дерева кодов с последующим совмещением (покрытием) его вершин с вершинами графа переходов УЛ ЭС. Дерево кодов для К=2 (К=3 и К=4) изображено на рисунке 3 а (б и в). Его построение для К>4 может быть проведено по индукции. Величина К для заданного графа переходов УА специализированного цифрового ЭС определяется из выражения:

К = тах{^™ах^ i = (8)

<-k>]log,n[

где pi - локальная степень i-vi вершины графа переходов УА цифрового ЭС.

Формальная последовательность действий по покрытию вершин дерева кодов производится в следующем порядке:

- исходная вершина графа переходов УА ЭС, имеющая максимальную локальную степень, совмещается с вершиной дерева кодов нулевого уровня (рис. 3);

- вершины графа переходов УА ЭС, инцидентные исходной вершине, совмещаются с вершинами следующего уровня в порядке убывания их локальной степени;

- в момент совмещения вершине графа переходов УА ЭС присваивается код соответствующей вершины дерева кодов, причем переходы к ранее совмещенным вершинам графа переходов блокируются.

Легко проверить, что если локальная степень i-й вершины дерева кодов не превышает локальную степень совмещаемой с ней вершины графа переходов УА ЭС, то покрытие дает максимальный эффект. В противном случае, необходимо либо увеличить К, либо использовать непокрытые вершины дерева кодов, что в обоих случаях приводит к увеличению площади кристалла.

В заключении четвертой главы рассматриваются принципы обеспечения требуемого функционирования специализированного ЭС на МБИС в процессе его автоматического синтеза. Здесь сама постановка задачи отличается от традиционной. Основой поставленной задачи является автоматический синтез МБИС с одновременным учетом и корректировкой возникающих в результате неучтенных паразитных

К-2

К=3

"). б)

б) .

г)

Рис.З. Примеры построения дерева кодов для разний разрядности памяти (а), (б), (в) и реального у стропа на (г)

параметров монтажа временных задержек. Таким образом, основное внимание уделяется синтезу специализированного ЭС, которое будет обладать устойчивым функционированием, а не последующему анализу уже спроектированной схемы.

Учет временных задержек в процессе синтеза МБИС становится возможным благодаря фрагментарной реализации устройства с заданным направлением проектирования: от внутренней части, содержащей устройства памяти управляющего автомата - к периферийной части, содержащей внешние вход-выходные контакты МБИС. Результатом такого подхода к проектированию является возможность учета и корректировки временных задержек сигналов на каждом из шагов реализации структуры МБИС. Так на первом шаге синтеза структуры первого фрагмента на его периферию выводятся контактные точки, соответствующие внутренним переменным (Р/) и сигналам возбуждения памяти Щ, 5,-. Поскольку конструкция уровня определена, то для каждой из

этих точек может быть определена реальная временная задержка сигнала. Например, для сигнала Р,- задержка т! = тэп +тМ1, где тэп - задержка на триггере памяти УА, тм, -задержка на проводнике, соединяющем выход триггера с контактной точкой

Анализируя предложенный в четвертой главе метод, можно сделать вывод о возможности повышения устойчивости работы проектируемого специализированного ЭС, благодаря учету временных задержек на элементах коммутации и их корректировке в процессе фрагментарного синтеза.

Пятая глава посвящена разработке методов реализации функционально-конструкторской модели специализированных ЭС на БМК с учетом требований устойчивости функционирования, а также особенностей технологических процессов. Основные результаты исследований опубликованы в работах |2, 4, 6, 16,18,19,24, 29,30 и др.].

Реализация специализированного ЭС на базе МБИС методом параллельного наращивания структуры кристалла требует начального закрепления внешних сигналов за выводами корпуса микросхемы. Возможны два варианта назначение выводов: директивное и оптимизированное. Директивное назначение выводов используется в том случае, когда до начала проектирования однозначно известно, какое расположение выводов необходимо для данного МБИС.

В основе оптимизации закрепления сигналов за выводами БМК лежит метод кольцевых перестановок, основу которого составляет механическая модель, оценивающая взаимное притяжение переменных.

Переменные, выходящие на периферию кристалла, - это либо управляющие сигналы (У-шина), либо входные сигналы (Х-шина), поэтому искомая последовательность будет представлять собой кортеж переменных:

Z = (y1,y,,...,yp,x,,x2,...,xil), p + q = m, (9)

порядок элементов в котором определяет множество обншх термов для любых пар его соседних членов.

Модель периферии кристалла представляется окружностью произвольного радиуса, на которой закреплены все ш сигналов, образующих кортеж (9). Поэтому переменные у, н у, являются соседями по периферии, так же, как и остальные пары соседних членов этого кортежа (рис. 4)

Максимальную связность неременных кортежа (9) представим целевой функцией, отражающей аналогию механической модели, в которой каждой переменной соответствует материальная точка, подвешенная на упругих связях. Последние отражают факт участия различных переменных в одних и тех же уравнениях или группах термов СЛУ. Максимальная связность выразится через минимально возможную деформацию упругих связен с учетом взаимного расположения точек по периферии. По аналогии с механической моделью определим силу F.,, с которой точки ¡ и j будут

притягиваться друг к другу выражением:

Fu=MN,r N¡ =0, (10)

где |л - коэффициент упругости, который для данного БМК определяется трассировочным ресурсом.

Целевая функция выразится суммой средней силы, действующей на точки периферии в прямом F(v) (по стрелке j) и обратном F(_, (по стрелке i) направлениях. Приняв ц = 1 и обозначив Fw = N,, и F,_, = N,,, получим целевую функцию в виде:

N = ¿|Nk|, (11)

/ 1 1 TI \

q, Ч, ,=1ш.:[я-

где q' и qj' - число точек, с которыми связана k-я точка соответственно в прямом и обратном направлениях. Операция ]а[ обозначает взятие ближайшего целого, не большего а.

Рассмотрим алгоритм построения кортежа (9), оптимального по критерию минимума целевой функции (12). Действия алгоритма сводится к перемещению переменных кортежа (9) по кольну периферии в прямом и обратном направлениях (рис. 5) под действием сил (12), поэтому будем называть его алгоритмом кольцевых перестановок. Алгоритм состоит из трех шагов:

6) г) Рнс.4. Модель контактных точек периферии кристалла в виде исходного кортежа (а), перестановок (б), (в) и сформированного кортежа (г)

Рнс.5. Структура алгоритма формирования кортежа

-191. Для произвольного кортежа (9) вычисляется целевая функция N по критерию минимума целевой функции (11). Переход к п.2;

2. Для каждого члена кортежа (9) определить сумму действующих на него сил по (12) и И! его член с максимальным по модулю значением силы N1, = тах(М,, .... N,„3 переместить на ]М,[ позиций в направлении) (при ТМ, > 0) или ! (при М, < 0): Перейти к п.З.

3. По (10) рассчитать новое значение N целевой функции, и если N < N1, то перейти к п.2, положив N = К, в противном случае - закончить вычисления.

Рассмотренная механическая модель позволяет дать более детальное пояснение принципов реализации СЛУ специализированного ЭС с использованием метода последовательного наращивания структуры кристалла.

Одна из основных проблем реализации функционально-конструкторской модели на выбранном БМК состоит в осуществлении оптимальной трассировки межсоединений. Увеличение мощности вычислительных машин, повышение их производительности, увеличение объемов памяти позволяет использовать более сложные алгоритмы трассировки. Однако непрерывный рост степени интеграции электронных средств с возрастанием их функциональной сложности не позволяют решить задачу методом полного перебора.

Синтез топологии до сих пор остается одним из наиболее слабо формализуемых процедур автоматизированного синтеза. Практически все алгоритмы (следует отметить, что их разработано очень много) носят эвристический характер и не отвечают однозначно на вопрос: будет ли проведенная трасса в последующем препятствовать проведению последующих межсоединений.

Основу метода параллельной трассировки составляет учет возможных путей проведения оставшихся межсоединений при проектировании пути каждой трассы. В пятой главе показано, что поставленную задачу возможно решить на основе пшерграфового представления. Основой гнпсрсети в этом случае будет являться следующее выражение:

в = {Т, ^ Цр)), (13)

Понятия вершин и ребер гиперсетевого представления традиционно. Новым в предлагаемой модели является описание взвешенных уровней.

Определение: весом каждой ячейки дискретного рабочего поля (ДРП) монтажного пространства назовем коэффициент, определяемый по числу уровней гнперсетн, включающих эту ячейку. В том случае, если трасса уже проведена, уровень гнперсетн включает в свой состав ячейки, занятые трассой, которым присваивается максимальный вес. и соседних ячеек с проведенной трассой, вес которых уменьшается при удалении от

трассы. Всю совокупность монтажного пространства с наложенными гиперсетевыми уровнями назовем полем напряженности вероятности трассировки (ПНВТ).

Формирование ПНВТ для двух контактных площадок возможно, представив участок ДРП в виде бесконечной дискретной плоскости С, на которой на заданном конечном расстоянии друг от друга Ь располагаются две контактные площадки КП1 и КП2, площадь каждой из которых равна величине одного дискрета с1р Каждую дискрету

ДРП можно описать как точку на плоскости с помощью двух векторов из точек контактных площадок. Одну из контактных площадок принимаем за начало отсчета с координатами и Тогда значение координат для второй контактной площадки определится как хк - х, + 6х = 1К\ ук - ук +- 8у, т.е. вектором хк,ук или заданной длиной, определяемой как Ь~ •

Г " т г-

1 ! 4-

'у 1 =; н- fi

/ 1 ' I rf Ч

L Т

■— -4-

i 0 1 s

Вероятность прохождения трассы для каждой ю ячеек фронта распространения волны будет оцениваться отношением единицы к числу дискрет, находящихся на фронте волны. В пределе при увеличении числа ячеек возможно определение вероятности не

через число дискрет, а через длину окружности, описывающей фронт волны, т:е.

= (14>

где ТЧ-число дискрет фронта волны, Л-радиус фронта волны.

Формула (14) справедлива при равновероятностных направлениях распространения волны. В общем случае вероятность по фронту волны определится по выраженню:

(15)

где (X; = хп ±ш, у, = У„ +i) v(x, = х„ + i, у, = у„ + m); i = -ш,(-т +1),..., -1, 0,1.....

.... (m -1), m: m - порядковый номер фронта: q - запрещенные для трассировки дискреты.

С учетом принципа практической невозможности маловероятных событий дискреты ДРП с вероятностью прохождения трассы меньше 0,01 не рассматриваются. Пример объемной модели ПНВТ для случая построения трассы между двумя точками показан на рис. 6.

Для общего случая, когда необходимо найти ПНВТ для нескольких соединений, вероятность для ячеек ДРП определится по выражению:

Примерный вид моделей напряженности от различных .межсоединений и контактных площадок показан на рис. 7. Естественно, что ближе к центру платы возможность проведения трасс возрастает, а вероятность технологического смещения края платы падает. Аналогичные поля вероятностной напряженности легко получить от контактных площадок, переходных отверстий, посадочных мест различных элементов, трассировка под которыми запрещена, и т.д.. Формированием ПНВТ заканчивается первый этап процесса синтеза соединений. Следует отметить, что уже на этом этапе возможно распараллеливание процесса, так как каждое из полей напряженности вероятности от каждого из межсоединений может рассчитываться независимо от другого.

Функция ПНВТ является монотонной. В окрестностях точки источника она является монотонно убывающей, а в окрестностях точки приемника она монотонно возрастающая, но ее максимальное значение в этом случае будет равно единице. Если на ПНВТ накладываются напряженности от двух пархътельных межсоединений, то так как обе функции в окрестностях точки источника будут монотонно убывающими, то н общая функция не будет иметь максимумов за исключением самих точек контакта (как уже было отмечено, значение в этих точках будут равны единице). Таким образом, и общая функция ПНВТ будет монотонно убывающей. Следовательно, единственными местами, где возможны появления максимальных экстремумов функции, не равных единице, будут те участки, на которых возможны при трассировке конфликты между межсоединениями.

Рассмотрим процесс трассировки выделенного соединения. На первом этапе снимается напряженность вероятности трассировки от выбранного межсоединения. При использовании выражений (15) и (16) такое снятие возможно осуществить по формуле:

Р~Р<

'•=7ГРГ' (17)

где Р- оставшаяся вероятность ячеек выделенного участка ПНВТ; значение вероятности проведения выбранного соединения; Р- общая величина вероятности ПНВТ.

0

Рис.б. Пример объёмной модели поля напряженности вероятности трассировки для случая построения трассы между двумя точками

Рис.7. Пример обьемнои модели пощ напряженности веройшост 1 рассировкч хш с.1\ чая построения различных соединений

Как это было показано в анализе конструкторско-технологическпх особенностей коммутационных плат, невозможно однозначно воспроизвести проводник в точном соответствии с координатной сеткой на реальной плате. Тогда для учета технологических допусков в вероятностной модели монтажного пространства возможно ввести напряженность от конструкторского элемента. В этом случае математическая модель формируется по следующим критериям:

- учитывается вид закона распределения вероятности физической границы элемента, накладываемого технологическим процессом (согласно теореме Ляпунова это распределение близко к нормальному);

- так как уход проводника за границы платы физически невозможен, то все дискреты за пределами платы (для многих САПР - границы зоны трассировки межсоединений) фиксируются со значениями вероятности, равной единице;

- учитывается заданный закон распределения.

Естественно, что ближе к центру платы возможность проведения трасс возрастает, а вероятность технологического смешения края платы падает. Нетрудно заметить, что на расстоянии равном:

д£ = д &+ &К;

Р(дЬ)=0 ,

где <?/,,„„ - максимальный допуск на уход края монтажной платы; ¿4 111ач - максимальный допуск на отклонение положения межсоединения; <?1.т„ -минимальный технологический зазор между проводником и краем кристалла; Р(с'Ь)- вероятностная напряженность, создаваемая краем монтажной платы, которая на расстоянии аЬ от края кристалла к центру будет изменяться от 1 до 0.

В случае межсоединений напряженность вероятности будет изменяться аналогично краю кристалла, но с двумя отличительным» особенностями:

1) изменение напряженности проводника будет наблюдаться во все стороны от соединения;

2) в центральной части напряженной вероятностной зоны будет находиться участок с единичным значением напряженности и размерами, равными:

5(^5) = £.-В = (4 ¥2-31,) . (19)

где /, - длина проводника коммутации; ¿V,- технологический допуск на неточность позиционирования проводника с учетом допуска на линейный размер; Ьк- ширина проводника; 5(Ь.В)- зона единичной напряженности вероятности трассировки в этом случае будет соответствовать проводнику с технологическими ограничениями.

Из выражений (18) н (19) видно, что достаточно просто получать изменения ширимы межсоединений и технологических зазоров, а, кроме этого, легко получать соединения с переменной шириной межсоединений.

Следует подчеркнуть, что аналогичные поля вероятностной напряженности легко получить от контактных площадок, переходных отверстий, посадочных мест различных элементов, трассировка под которыми запрещена, и прочес. На рис. 8. показан пример построения ПНВТ для элемента коммутации сложной формы с учетом различных допусков но разным направлениям межсоединении.

Формированием ПНВТ заканчивается первый этап процесса синтеза соединений. Следует отметить, что уже на этом этапе возможно распараллеливание процесса, так как каждое из полей напряженности вероятности от каждого из межсоединений может рассчитываться независимо от другого. Основой для независимого проведения соединений является следующая теорема:

ТЕОРЕМА 3. Максимумы значений ПНВТ будут соответствовать местам вероятных пересечений межсоединений.

Последующим этаном проектирования является этап выделения задания на трассировку одного межсоединения. В этом случае формируются следующие исходные данные:

- выделяется участок трассировочного пространства с принадлежащим ему участком ПНВТ и с размерами, равными охватывающему прямоугольнику, построенному на точках начала и конца трассы с учетом дополнительной периферийной дельта-зоны вокруг выделенного прямоугольника. На начальных этапах выделения дельта зона может быть минимальной (как это будет показано далее);

- границы выделенного прямоугольника считаются границами возможной зоны трассировки. Поэтому от них формируются поля напряженности вероятности трассировки, аналогичные границам коммутационной платы.

На следующем этапе осуществляется формирование обобщенного градиентного поля трассировки (ОГПТ). Основополагающим принципом формирования ОГПТ У (В) в данном методе является создание направленного поля, которое позволило бы определить основное направление распространения волны. Достижение поставленной цели осуществляется по следующему алгоритму подготовки ОГПТ.

1. Из общего ПНВТ на выбранном для трассировки участке снимаются напряженности для точек источника и приемника волны. Осуществить снятие напряженностей возможно с использованием формулы (17).

2. Формируется базовая составляющая - градиент поля от точки приемника к точке - источнику распространения межсоединения. Выбор точек источника или

Рнс.9. Объёмная модель обобщенного поля трассировки с нспроведённым соединением между двумя точками

приеммика может быть осуществлен произвольно. Расчет общего граднента ноля осуществляется в полярных координатах, в зависимости от расстоянии до точки приемника, причем за начало отсчета принимаются координаты точки приемника волны:

о,.>•,) = ^(л-,-.*,)1 +(У,-УУ , (20)

где Оу(х.,>',) - )-ый элемент массива градиентного направления для точки источника волны с координатами (х,,.)',) .

3. Формируется вероятностная составляющая градиента поля, равная произведению ПНВТ на основной градиент поля трассировки.

4. Формирование обобщенного граднента поля трассировки (ОГПТ) осуществляется наложением вероятностной составляющей на основную:

Ч>(Щ = П(Х,у) + А-0(х.у)-Р0(х,у) , (21)

где - обобщенное градиентное поле трассировки; Д.г,>) - массив градиентного

направления трассировки; А - коэффициент учета ПНВТ; Р„(х,у);~ массив ПНВТ для выбранного соединения.

На рис. 9 приведен пример формирования модели ОГПТ вместе с непроведенным соединением, перпендикулярным направлению основной волны, ОГПТ вместе с непроведенным соединением, перпендикулярным направлению волны. Справедлива следующая теорема:

ТЕОРЕМА 4. Глобальный минимум значении градиентного поля будет наблюдаться лишь в одной точке, а именно в точке - приёмнике трассы.

Те участки поля, где наиболее возможно нахождение трасс, будут иметь большее значение ОГПТ, чем соседние. Далее задача построения трассы сводится к нахождению глобального минимума значений ОГПТ при условии начального нахождении в точке источника п постоянного движения но максимальному градиенту значений с записью пройденного пути. Исходя из принципов получения обобщенного градиентного поля трассировки ОГПТ можно сделать заключение, что глобальный минимум значений градиентного поля будет наблюдаться лишь в одной точке, а именно в точке - приемнике трассы. Действительно, в этой точке совпадут нулевые компоненты как от сформированного градиентного поля (так как эта точка является началом отсчета), так и вероятностной составляющей, так как после снятия напряженности ПНВТ в этой точке значение будет равно нулю.

Следует отметить , что прн поиске глобального минимума могут быть найдены локальные минимумы. В этом случае следует продолжить поиск глобального минимума и выйти из окрестностей локального минимума по направлению, соответствующему

мннимальным значениям ноля напряженности. При достаточно больших значениях иыхода из локального минимума одним из вариантов будет являться фиксирование значений локального минимума и переход на дополнительное градиентное поле, аналогичное первому. Физический смысл подобных действий заключается в формировании переходного отверстия в местах наименьшей напряженности ПНВТ, т.е. в свободных от проводников и элементов участках платы.

Одним из вариантов такого синтеза может быть использование многопроцессорных комплексов, например, транспьютеров. Синтез межсоединении в многопроцессорном варианте будет заключаться в выделении одного из сопроцессоров для решения арбитражных задач и выделения заданий для остальных сопроцессоров. Задание на работу каждому из процессоров должно содержать выделенную часть ДРП с записанными в ячейках напряжениостями, а также координатами контактных точек пли участков цепей, которые' необходимо соединить между собой. Задачей сопроцессора в этом случае будет синтез топологии заданного межсоединения, причем в процессе синтеза необходимо учитывать все имеющиеся напряженности от других соединений. Результаты работы возвращаются в главный процессор, где решается задача о закреплении синтезированной трассы, или её снятии, в случае если она все таки конфликтует с трассой, проведенной другим процессором, и проигрывает ей по критериям оптимальности.

В заключении пятом главы показано решение задач выбора межсоединений для трассировки, непосредственно трассировки с учетом напряженностен и арбитража проведенных межсоединений с учетом влияния паразитных параметров межсоединений на устойчивость функционирования ЭС.

В заключении следует отметить, что использование предложенных математических моделей и алгоритмов позволяет:

- осуществлять качественное проектирование топологий на существующем парке вычислительной техники;

- в дальнейшем осуществлять проектирование с использованием миогоироцеспорных комплексов:

- использовать достижения технологии в процессе автоматического синтеза топологии;

- осуществлять синтез конструкций по критерию устойчивости функционирования.

Шестая глава посвящена разработке структуры программно-методического комплекса, реализующего на ЭВМ разработанные в диссертации идеи синтеза специализированных ЭС на основе принципа непрерывного моделирования, анализу его работоспособности п результатов апробашш. Результаты исследований опубликованы в I Н, 7, 13,21,22ндр.|.

Предложенный в диссертации математический и алгоритмический аппарат позволяет разделить программное обеспечение на две части: обрабатывающую и управляющую. В результате существенно упрощается алгоритмизация параллельного синтеза специализированного ЭС пофрагментно.

Функции управляющей части программно-методического комплекса сводятся к выбору исходной информации о фрагменте БМК, определению размеров фрагментов н выделению термов для реализации в пределах фрагментов. Функции обрабатывающей части комплекса сводятся к закреплению контактных точек за переменными, размещению базовых элементов, реализующих соответствующие термы и трассировке межсоединений.

Общая структура программно-методического комплекса состоит из подсистемы: ввода и трансляции алгоритма функционирования специализированного ЭС, записанного на языке СИНТЕЗ; синтеза СЛУ цифрового устройства и подключения базовых элементов БМК; пофрагментной параллельной реализации структуры БМК.

Программно-методический комплекс, функционирующий по принципу распараллеливания процесса синтеза специализированного цифрового ЭС, состыкован с базой данных САПР Р-САБ. В шестой главе приведены некоторые результаты исследований разработанного математического и программного обеспечения, а также примеры проектирования некоторых специализированных ЭС на базе МБИС с помощью разработанного программного обеспечения, дана сравнительная характеристика его эффективности по сравнению с традиционными методами.

В заключении приведены основные результаты работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ конструктивно-технологнческих особенностей, современного состояния и САПР цифровых электронных средств на базе матричных БИС. Показано, что в настоящее время наибольшее распространение получили базовые матричные кристаллы, выполненные по КМОП - технологии, благодаря их малому энергопотреблению и высокой помехоустойчивости. Основная причина низкой эффективности традиционных подходов к проблеме проектирования матричных БИС заключается в отсутствии в САПР автоматических синтезирующих комплексов сквозного проектирования.

2. Разработана обобщенная математическая модель, устанавливающая взаимнооднозначное соответствие логики работы ЭС - конструкции базового матричного кристалла. Теоретически и практически доказана возможность проектирования

спеииалнзировшшого цифрового ЭС па базе предложенной модели, гарантирующей полную разводку кристалла в автоматическом режиме.

3. Проведен анализ методов математического моделирования структуры ЭС на базе матричного кристалла и показано, что учет порядка функционирования ЭС может оказать существенное влияние на упрощение его внутренней структуры. На базе теоретических исследований разработано правило кодирования УА цифрового ЭС, обеспечивающий двукратный выигрыш в оборудовании, что значительно повышает эффективность проектирования.

4. Разработана структурная схема проектирования специализированного ЭС на базе матричной БИС, в основе которой лежит принцип формирования и пофрагментнои реализации общей системы логических уравнений функционирования.

5. Разработаны лингвистические средства исходного описания ЭС на языке СИНТЕЗ, обеспечивающем возможность автоматической генерации структурной модели ЭС на основе его функционального описания.

6. Разработан методы .минимизации площади БМК на этане абстрактного и структурного синтеза ЭС. Предложен критерий и разработана методика кодирования состояний УА.

7. Разработан математический аппарат и методика учета и управления временными задержками в процессе проектирования ЭС, позволяющий значительно повысить устойчивость функционирования синтезируемой матричной БИС.

8. Разработана математическая модель и методика независимого проектирования межсоединений топологии кристалла .матричной БИС, позволяющая распараллелить процесс синтеза трасс н использовать для этой цели транспьютеры.

9. Показана принципиальная возможность и пути решения задачи учета конструкторских особенностей кристалла при синтезе топологии специализированного ЭС на базе матричной БИС.

10. Разработан пакет прикладных программ, позволяющий повысить эффективность существующих САПР.

Основной итог диссертационной работы заключается в теоретическом обобщении методов распараллеливания процессов моделирования и синтеза специализированных ЭС на базе МБИС и решении крупной научной проблемы разработки методологии автоматического проектирования МБИС повышенной степени интеграции с использованием недорогого оборудования.

Основные результаты диссертации изложены в 14 научных отчетах и следующих печатных работах:

1. Руфицкий M.B. Метод последовательного наращивания структуры кристалла ЦМ БИС при автоматизированном конструировании // Автоматизация проектирования микроэлектронной аппаратуры. - М.-:МАИ, 1988,- С. 18-22.

2. Руфнцкнй М.В., Способы учета влияния межсоединений в процессе автоматизированного проектирования электронных устройств // Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры, Суздаль, 1994.

3. АС 283340 СССР. Способ разработки топологии МБИС. М.В.Руфпцкий, А.В.Фомин, А.В.Назаров

4. Автоматизация проектирования матричных КМОП БИС / А.В.Назаров, А.В.Фомин, М.В.Руфпцкий и др.; Под ред. A.B. Фомина.-М.: Радио н связь, 1991. 256с.

5. Руфицкнй М.В., Никонов В.Н., Громов И.Ю., Бойкевнч А.Д. Метод сквозного автоматизированного синтеза топологии ГИС с учетом паразитных параметров межсоединений II Всесоюзная межотраслевая научно-техн. конференция "САПР приборов н агрегатов", Суздаль, 1991.

6. Назароц A.B., Руфицкий М.В., Булаев С.И. Лабораторные работы по курсу "Автоматизация конструирования и производства РЭС".- М.: МАИ, 1988.

7. Назаров A.B., Руфицкий М.В., Синтез конструкции цифровой матричной БИС на ЭВМ ЕС с использованием факторизационного метода // Методы и средства автоматизации производства в радпоаппаратостроенни.- М.: МАИ,1987.- С. 59-62.

8. Назаров A.B., Руфицкий М.В., Оптимизация расстановки базовых элементов цифровых матричных БИС методом их итерационного переразмешения // Автоматизация научных исследований в области качества и надежности РЭА и ЭВА.- М.: МАИ, 1987,- С. 36-42.

9. Назаров A.B., Руфицкий М.В., Петухова H.A. Пакет прикладных программ трассировки матричных БИС // Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике. - Каунас: КПИ. 1986.- С. 58.

10. Назаров A.B., Руфицкнй М.В., Синтез конструкции цифровой матричной БИС КМОП КНС методом последовательного нарашнвания структуры кристалла И Автоматизация проектирования мнкроэлсктроннон аппаратуры. - М.-:МАИ, 1988.- С. 11 -14.

11. Руфицкий М.В., Бойкевич А.Д., Ланцов В.Н. Программные средства расширения функциональных возможностей пакета PCAD // "Зарубежные САПР - опыт адаптации н применения" Центральный Российский Дом знаний Семинар. - Москва. - 1992.

12. Руфицкий М.В., Аксенов C.B. Пакет прикладных программ адапгаини программ трассировки Ma БИС для различных типов БМК //Тез. докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Радиоэлектроника и связь на службе качества" .Свердловск: УПИ, 1988.

13. Руфицкий М.В., Юртаев ИЛО. Автоматизация проектирования и изготовления печатных плат в условиях единичного производства // 23-я научная конференция Владимирского политехнического института. - Владимир. -1990

14. Руфицкий М.В. Подготовка студентов к проектированию РЭС на микропроцессорной базе П Тез. вторая методическая конференция радиотехнических факультетов Муром, 1990.

15. Руфнцкнй М.В., Смирнов И.Б. Автоматизированная система трансляции информации из САПР "Рапира" в САПР PCAD // Информационный листок .N»222-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации. - 1994.

16. Руфнцкнй М.В., Сухарев И.К., Кузнецов A.B. Персональный компьютер вектор турбо плюс. Информационный листок JM'221-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации. - 1994.

17. Руфнцкнй М.В., Смирнов И.Б. Программный комплекс размещения разногабаритных элемептов на монтажных платах радиоэлектронной аппаратуры. Информационный листок №214-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации. - 1994.

18. Руфнцкнй М.В., Брагин М.Н. Автоматическая система расчета параметров пассивных элементов гибридных интегральных схем. Информационный листок jY»215-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации. - 1994.

19. Руфицкий М.В., Сухарев И.К., Кузнецов A.B. Программатор ПЗУ. Информационный листок ЛЪ220-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации. - 1994.

20. Руфицкий М.В., Жокин JI.B. Универсальная времязадающая система для управления технологическим оборудованием. Информационный листок Хе 216-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации.- 1994.

21. Руфицкий М.В., Булаев В.Д., Калинин Е.А., и др. Программно-аппаратный комплекс для изготовления монтажных плат. Информационный листок .N» 164-94 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации. - 1994.

22. Руфицкий М.В. Схемотехническая подготовка специалистов по направлению 55.11.00 - Проектирование и технология электронных средств / Тез. докладов преподавателей радиотехнического факультета. Владимир, ВлГТУ. - 1995.

23. Завьялов Д.В., Руфицкий М.В. Модифицированный волновой алгоритм синтеза топологии коммутационных плат медицинских приборов // Физика н радиоэлектроника

в медицине и биотехнологии: Материалы II межд. науч.-техн. конф. -Владимир: Владим.гос. техн. ун-т, 1996.- В 2 ч. Ч.2.-235 с. С. 132-134.

24. Руфицкий М.В., Жокин Л.Г. Комплекс согласования персональной ЭВМ с объектом управления // Проектирование и применение радиотехнических устройств. Владимир, ВлГТУ.-1995. С.ЗО.

25. Руфицкий М.В., Шарманов С.В. Цифровая запоминающая осцнллографическая видеоприставка. Информационный листок №63-95 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации.- 1995.

26. Руфицкий М.В., Привалов А.А. Датчик микроперемещений Информационный листок №64-95 Владимирского центра научно-технической информации. Владимирский центр научно-технической информации.- 1995.

27. Руфицкий М.В. Возможности повышения эффективности проектирования интегральных цифровых устройств // Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем, Владимир: Владим. гос. техн. ун-т, 1996.-180 с. С.120-123.

28. Руфицкий М.В., Завьялов Д.В. Алгоритм градиентной трассировки Проектирование и применение радиотехнических устройств и систем // Научные труды Владимир: Владим.гос. техн. ун-т, 1996.-180 с. С.127-130.

29. Руфицкий М.В., Завьялов Д.В. Алгоритм трассировки плат с дополнительными элементами коммутации Проектирование к применение радиотехнических устройств и систем //Научные труды Владимир: Владим.гос. техн. ун-т, 1996. - 180 с. С.124-126.

30. Руфицкий М.В., Аидрюшко А.В. Повышение эффективности трассировки монтажных плат аналоговой РЭА //Тез. докладов молодых специалистов и студентов Владимирского государственного технического университета.-Владимир.-1994.

31. M.V.Rufitsky Training of Bachelor on Microelectronics in the Vladimir State Technical University /1st European Workshop on Microelectronics Education. Thesis of the conference France Grenoble: Centre Interuniversitaire de MicroElectronique, 1996, p. 42.

32. Research of physical-chemical processes in optically transparent materials during colouring points formation by volumetric - graphical laser processing M.V.Rufitskii, N.N.Davidov, L.T.Sushkova, S.V.Kudaev, AJ.Galkin, V.N.Oriov, V.G.Prokoshev / Proceedings 5th International Conference on Industrial Laser Applications'95, SPIE Vol. 2713, Washington 98227-0010 USA pp.400-403.

33. M.V.Rufitsky Training of Bachelor on Microelectronics in the Vladimir State Technical University /Microelectronics education. Proceeding of the European Workshop Copyright 1996 by World Scientific Publishing Co. Pte. ltd World Scientific: Singapore-New Jersey-London-Hong Kong, pp.158-161.