автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка методов и средств проектирования полузаказных микросхем с применением имитаторов

На правах рукописи

Денисов Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛУЗАКАЗНЫХ МИКРОСХЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМИТАТОРОВ

Специальность 05.13.12 -Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 : 'л';]

Москва-2013 г.

005538358

005538358

Диссертация выполнена в федеральном государственном учреждении Научно- производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Микроэлектроника и микросистемы» НИУ МИЭТ Сауров Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор кафедры электроники НИЯУ «МИФИ» Никифоров Александр Юрьевич,

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и конструирования интегральных микросхем

Булах Дмитрий Александрович

Открытое акционерное общество «НИИ молекулярной электроники и завод «Микрон»

Защита состоится 3 декабря 2013 года в 14 часов 30 минут в аудитории 3103 на заседании Диссертационного совета Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу 124498, г.Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МИЭТ».

Автореферат разослан «29» октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета: Доктор технических наук, профессор «^б'/^Сч. Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация направлена на решение научно-технической задачи развития методологии проектирования полузаказных микросхем на базовых матричных кристаллах (БМК) и создание программных средств проектирования, ориентированных на применение имитаторов микросхем при разработке аппаратуры специального, двойного и народно-хозяйственного назначения.

Актуальность темы диссертации. Непрерывное обновление и расширение номенклатуры и ассортимента радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) требует разработки специализированных микросхем. Для аппаратуры специального назначения при всей важности экономических показателей, определяющими факторами являются высокая надёжность, долговечность, повышенная стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ), низкое энергопотребление, высокая функциональность, оперативность разработки и возможность поставки в заданные сроки, длительный период поддержания производства больших интегральных микросхем (БИС). При этом потребность в специализированных микросхемах конкретных типов может быть крайне низка и составлять сотни и даже десятки микросхем. Кроме этого, для подавляющего большинства аппаратуры специального назначения обязательным является применение отечественной электронной компонентной базы.

Специализированные микросхемы можно разделить на три группы: заказные, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и полузаказные БИС на БМК. Принято считать, что полностью заказные микросхемы обеспечивают максимальную функциональность, надёжность и стойкость к ВВФ, минимальную стоимость при массовом производстве, но требуют максимальных затрат на этапе разработки и освоения производства и для производства малых партий БИС не эффективны. ПЛИС имеют более высокое энергопотребление, дополнительные элементы для специализации, что снижает надёжность микросхем и определяет их более высокую стоимость по сравнению с заказными БИС. Полузаказные БИС занимают промежуточное положение между полностью заказными и ПЛИС. По показателям надёжности, энергопотребления и стойкости они сравнимы с заказными БИС, в тоже время по длительности цикла разработка - изготовление - поставка сопоставимы с циклом разработка - поставка - специализация ПЛИС. Производство БМК, как правило, поддерживается в течение длительного времени (более 15 лет).

Таким образом, выбор способа реализации специализированных БИС для специальной аппаратуры определяется множеством критериев, но, как правило, именно полузаказные БИС обеспечивают наилучшее соотношение показателей. Однако, в сравнении с ПЛИС полузаказные БИС. имеют существенный недостаток. При отработке аппаратуры часто требуется оперативное изменение проектов специализированных БИС, что легко достигается при применении ПЛИС, но не может быть реализовано на полузаказных БИС. Поэтому высокую актуальность приобретает совершенствование методологии разработки аппаратуры, ориентированное на использование отечественных БИС на БМК и обеспечивающее сокращение сроков проектирования за счёт применения методов прототипирования проекта полузаказной БИС средствами имитатора БМК на ПЛИС.

Состояние исследований по проблеме. Методология проектирования аппаратуры, в том числе специального назначения, создавалась на этапе применения дискретных элементов и микросхем малой и средней степени интеграции, набор которых был весьма ограничен. Средства проектирования были недостаточно развиты, в основном использовались экспериментальные методы разработки.

Следующим шагом в развитии методологии разработки аппаратуры стало применение в составе аппаратуры БИС, реализованных на основе БМК. При этом разработка аппаратуры ориентирована на конечный результат в виде опытного образца, пригодного для серийного производства. Процесс разработки микросхем выполняется на основе отработанных методов, средств и маршрутов проектирования. Разработка выполняется средствами систем автоматизированного проектирования (САПР), Считывающими особенности конкретных серий БМК.

Дальнейшим развитием методологии разработки аппаратуры стало применение ПЛИС. Простота перепрограммирования ПЛИС позволяет оперативно корректировать проект, за счёт чего достигается значительное сокращение времени разработки. Методология проектирования аппаратуры с применением ПЛИС направлена на быстрейшее получение макетных образцов, и, как следствие, отличается отсутствием строгих требования к качеству проектирования. При этом разработка макетного образца изделия выполняется на ПЛИС с последующим перепроектированием в полузаказные микросхемы на БМК.

Известны следующие методы перевода ПЛИС в базис БМК: использование БМК, структура которых адаптирована под структуру ПЛИС,

применение унифицированной библиотеки ячеек ПЛИС и БМК, использование языка высокого уровня для перехода из базиса ПЛИС в базис БМК. Однако, вследствие различий конструкций, динамических характеристик, схемотехнической реализации библиотечных ячеек в большинстве случаев не удаётся выполнить автоматическое конвертирование проекта ПЛИС в базис БМК.

Следующим шагом в развитии методологии разработки аппаратуры стала попытка сокращения срока разработки опытного образца изделия за счёт объединения на печатной плате посадочных мест под ПЛИС и БИС на БМК, Предложенная группой авторов А. Кошарновский, Е. Дегтярёв, М. Критенко, С. Цыбин, А. Быстрицкий. При этом разработка макетного образца выполняется на ПЛИС, выбранной с учётом последующей замены её на БМК, а на печатной плате формируется совмещённое посадочное место под ПЛИС и БМК, что сокращает затраты на разработку печатной платы опытного образца. Однако, данная методология разработки имеет ряд существенных недостатков и ограничений, а именно, необходимым является условие превышения размера корпуса БМК над корпусом ПЛИС, на печатной плате опытного образца создаются значительные фрагменты схемы обслуживания ПЛИС, по площади превышающие площадь корпуса БМК, и не используемые совместно с БМК. При этом остаётся нерешённой проблема оперативного перевода проекта ПЛИС в базис БМК.

Проведенный анализ известных методологий разработки аппаратуры специального назначения с применением полузаказных микросхем и ПЛИС показывает, что они наряду с явными преимуществами имеют и значительные недостатки. Методология разработки аппаратуры с применением БИС на БМК базируется на отработанных методах, средствах и маршрутах проектирования, ориентирована на получение годных микросхем при первом изготовлении. Качество проектирования обеспечивается средствами САПР, которые учитывают специфику конкретных серий БМК и технологические особенности их изготовления. Основными недостатками этой методологии являются невозможность исследования и отработки проектов микросхем в аппаратуре до их изготовления, значительные сроки изготовления макетных и опытных образцов. Методология разработки аппаратуры с применением ПЛИС, напротив, имеет возможность отработки проекта микросхемы средствами ПЛИС в составе аппаратуры, но требует полного перепроектирования проекта микросхемы в базис БМК, что ведёт к значительному удорожанию и увеличению сроков разработки. Таким образом, к началу диссертационной работы не было предложено эффективных методологий разработки аппаратуры, объединяющих в себе преимущества методологий разработки аппаратуры с применением полузаказных микросхем и ПЛИС.

Цель и задачи диссертации.

Целью диссертации является развитие методов проектирования аппаратуры на полузаказных БИС на основе предложенных способов и алгоритмов их функционального прототипирования и имитации на основе ПЛИС, что обеспечивает сокращение сроков, уменьшение стоимости и повышение качества образцов новой техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать существующие методологии проектирования аппаратуры специального назначения, в том числе с применением БМК;

- исследовать методы и средства проектирования специализированных микросхем;

- разработать конструктивно-функциональные принципы реализации и конструкции имитаторов БМК на ПЛИС, позволяющие создавать функциональные аналоги полузаказных микросхем, конструктивно совместимые с корпусами БМК;

- разработать метод прототипирования и алгоритм разработки полузаказных микросхем с отработкой проектов микросхем в составе аппаратуры на имитаторах БМК;

- разработать средства взаимодействия проектировщик - система при проектировании аппаратуры специального назначения с применением имитаторов БМК;

- провести анализ существующих библиотек ячеек, определить состав базовых ячеек библиотеки БМК и разработать их функциональные аналоги в базисе ПЛИС;

- разработать алгоритм оперативной конвертации проекта микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС;

- разработать алгоритм промежуточной и финишной аттестации проекта микросхемы перед специализацией имитатора БМК и при подготовке к сдаче в производство;

- реализовать предложенные алгоритмы оперативной конвертации й аттестации проекта микросхемы в составе программных средств САПР полузаказных БИС,

- оценить эффективность разработанных методов и средств проектирования полузаказных микросхем.

Научная новизна результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:

- разработана методология разработки аппаратуры с применением полузаказных микросхем на БМК, основанная на новых методах взаимодействия проектировщика с САПР и позволяющая проводить отладку аппаратуры с использованием функциональных прототипов микросхем на имитаторах БМК;

- разработан базовый алгоритм проектирования полузаказных микросхем, обеспечивающий исследование проекта микросхемы до её изготовления в составе аппаратуры на имитаторах БМК и реализованный в САПР «Ковчег»;

- разработана базовая методика конвертации проекта полузаказной микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы Xilinx;

- разработана методика аттестации проекта микросхемы, основанный на исследовании поведения проекта микросхемы в условиях изменяющихся внешних факторов с учётом технологического разброса параметров транзисторов.

Практическая значимость результатов, полученных в процессе работы над диссертацией:

- р составе САПР полузаказных БИС «Ковчег» реализованы программные средства оперативной конвертации и аттестации проекта микросхемы;

- создано семейство имитаторов для прототипирования проектов микросхем, разработанных на БМК серий 5503, 5507, 5521, 5529, получивших широкое распространение при проектировании аппаратуры космического и специального назначения;

- разработаны функциональные аналоги библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС;

- применение метода прототипирования и аттестации проектов микросхем перед изготовлением позволили обеспечить получение микросхем, удовлетворяющих техническому заданию, при первом изготовлении в более чем 90% случаев.

Технический эффект заключается в повышении качества проектирования и существенном сокращении сроков разработки полузаказных микросхем и аппаратуры на их основе за счёт возможности оперативной коррекции проектов микросхем при отладке средствами имитаторов в аппаратуре. В результате с непосредственным участием автора были выполнены более 50 ОКР по разработке более 120 типов полузаказных микросхем на основе БМК.

Экономический эффект заключается в снижении затрат на разработку и изготовление макетных, экспериментальных и опытных образцов микросхем и аппаратуры на их основе за счёт уменьшения количества итераций при разработке.

Результаты, выносимые на защиту:

- методология разработки аппаратуры с применением полузаказных микросхем на основе новых методов взаимодействия проектировщика с САПР, позволяющая получать функциональные прототипы разрабатываемых микросхем на имитаторах БМК;

- алгоритм проектирования полузаказных микросхем средствами САПР, обеспечивающий исследование и отладку проекта микросхемы в составе аппаратуры С использованием имитатора БМК до передачи микросхемы в производство;

- алгоритм аттестации проекта микросхемы в условиях изменяющихся внешних и внутренних факторов до конвертации в имитатор и перед изготовлением микросхемы для обнаружения скрытых дефектов проекта;

- базовая методика конвертации проекта полузаказной микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы Xilinx;

- семейство имитаторов, обеспечивающих прототипирование проектов микросхем, реализованных на отечественных БМК специального назначения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены докладами на следующих научно - технических конференциях: 8 Международная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог: октябрь 2002г.), IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика -2002" (Москва, Зеленоград, ноябрь 2002г.), Международная научно-техническая конференция "Тонкие пленки и слоистые структуры" (Москва, ноябрь 2002 г.), IV научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения изделий авиационной и ракетно-космической отрасли высококачественной элементной базой» (г. Сочи, октябрь 2003г.), Всероссийская конференция «Пути повышения радиационной стойкости микросхем на основе БМК для космических аппаратов». ( г. Санкт-Петербург, 2008г.), Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективные системы и задачи управления», (п. Домбай, апрель 2008 г.), III Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008", (г. Москва, октябрь 2008 г.), Первая Российско-белорусская научно-техническая конференция «Элементная база отечественной радиоэлектроники» (г. Нижний Новгород, сентябрь 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 работах, включая 5 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержит 154 страницы, в том числе 82 рисунка и 13 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведён аналитический обзор существующих методологий проектирования аппаратуры специального назначения.

Выявлены тенденции развития методологии проектирования как совокупности методов и маршрутов проектирования, обеспечивающих реализацию необходимых схемотехнических решений с учётом условий эксплуатации на определённой элементной базе с помощью программных и аппаратных средств, и исследованы основные этапы процесса разработки изделий электронной техники. Проанализированы методологии проектирования аппаратуры с применением дискретных элементов, БИС на БМК и ПЛИС.

Вторая глава посвящена разработанной автором методологии проектирования полузаказных БИС на БМК с использованием имитаторов БМК на ПЛИС (далее методология проектирования БМК-ПЛИС-БМК). Представлены оригинальные алгоритм и методика проектирования полузаказной микросхемы с применением имитатора, которые включают в себя этап прототипирования и исследования имитатора в аппаратуре и этап аттестации проекту. Исследованы системы обозначений, функциональный состав и влияние особенностей БМК на библиотеку ячеек БМК. Проведён анализ реализуемости библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС, представлены функциональные аналоги библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС.

Третья глава посвящена разработке средств прототипирования полузаказных микросхем. Приведены разработанный алгоритм и базовая методика конвертации проекта полузаказной микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы ХШпх. Описаны созданные конструкции имитаторов для БМК серий 5503, 5507, 5521 и 5529.

Развитие методологии проектирования аппаратуры с применением полузаказных БИС на БМК с использованием имитаторов БМК на ПЛИС

Методология проектирования аппаратуры с применением БИС на БМК ориентирована на получение годных микросхем при первом изготовлении, что обеспечивается учётом особенностей конкретных серий БМК, высокими требованиями к тестируемости и к качеству проектирования. Основными недостатками данной методологии являются длительный цикл изготовления полузаказных микросхем, невозможность исследования проектов микросхем в аппаратуре, что приводит к многократным коррекциям и повторным циклам

изготовления микросхем в процессе разработки изделия, требующим значительных временных и финансовых затрат.

Методологии проектирования аппаратуры с применением ПЛИС, напротив, обеспечивают быструю реализацию макетного образца на ПЛИС с последующим его переводом в базис БМК. Но все известные методы перевода имеют серьёзные недостатки и не могут оперативно обеспечить гарантированный результат.

Предложенная методология проектирования БМК-ПЛИС-БМК основывается на эволюционном процессе разработки проекта полузаказной микросхемы в макетном, экспериментальном и опытном образцах изделия. При этом проект микросхемы развивается во взаимодействии с аппаратурой, в которой данная микросхема планируется к применению. Имитатор БМК представляет собой устройство, включающее в себя ПЛИС и ПЗУ, позволяющие создать функционально эквивалентный прототип разрабатываемой микросхемы, присоединительные размеры и расположение внешних выводов соответствуют корпусу проектируемой микросхемы. За счёт этого разработка аппаратуры, начиная от макетного образца, выполняется в базисе элементной базы, планируемой к применению в серийном изделии.

Весь процесс разработки полузаказной микросхемы выполняется в базисе БМК, а на этапе прототипирования осуществляется автоматический перевод логического проекта в базис ПЛИС с последующей его отработкой на имитаторе в составе аппаратуры. Процесс отладки проекта микросхемы с применением имитатора БМК выполняется на всех стадиях разработки аппаратуры, вплоть до изготовления и испытания опытных образцов. Благодаря этому завершающие операции по разработке микросхемы: синтез топологии, аттестация проекта и подготовка информации для производства выполняются уже для проекта микросхемы, требуемое функционирование которого проверено заказчиком. Рисунок 1 иллюстрирует этапы разработки логического проекта в базисе БМК, его отработки в составе имитатора на ПЛИС и проектирования топологии микросхемы на БМК.

Основой методологии разработки БМК — ПЛИС — БМК являются средства автоматизированного проектирования, основанные на новых методах взаимодействия проектировщика с САПР, которые направлены на повышение качества разработки. Система проектирования не только наиболее полно обеспечивает сам процесс разработки логического проекта и топологии микросхемы, но и поддерживает функции контроля логического проекта и проекта микросхемы, как на стадии разработки, так и в процессе отработки имитатора и изготовления БИС. Логический проект перед этапом прототипирования подвергается аттестации на устойчивость к воздействию внешних и внутренних факторов. Его преобразование в базис ПЛИС, а затем в

формат САПР ПЛИС выполняется автоматически. Правильность функционирования имитатора, специализированного проектом микросхемы, перед монтажом в аппаратуру контролируется на контрольно-диагностическом оборудовании, используемом при производстве микросхем, по тестам, созданным при разработке логического проекта в базисе БМК. Это гарантирует эквивалентность функционирования имитатора и проекта БИС. Таким образом, при использовании данной методологии в процессе разработки полузаказной микросхемы активно участвует её заказчик -проектировщик аппаратуры. Разработанный проект микросхемы подвергается финишной аттестации, которая в автоматическом режиме проверяет правильность функционирования микросхемы в условиях изменяющихся внешних факторов (напряжения питания и температуры) и технологического разброса параметров транзисторов и задержек в топологии микросхемы. Контроль микросхем в процессе их изготовления выполняется по программам, автоматически сформированным средствами САПР и обеспечивающим не только контроль функционирования , но и полный параметрический контроль электрических параметров микросхемы.

Рисунок 1 - Иллюстрация методологии проектирования БМК - ПЛИС — БМК

Методология проектирования БМК - ПЛИС - БМК традиционно включает в себя этапы разработки технических требований к изделию и его составным частям, эскизного и технического проекта, изготовления и испытаний опытного образца (рисунок 2) и имеет следующие особенности:

1. Ориентация процесса разработки на конечный результат в виде опытного образца, предназначенного для серийного производства на основе отечественной элементной базы, разрешённой к применению в аппаратуре специального назначения и имеющей высокие эксплуатационные характеристики, возможность работы в жёстких условиях эксплуатации, в том числе, при воздействии специальных факторов. Разработка технических требований к изделию выполняется с учетом возможностей освоенных в производстве серий БМК. Печатные платы проектируются под конструкцию БИС на БМК. Благодаря этому весь цикл разработки изделия выполняется в базисе элементной базы, на которой планируется выпуск серийного образца.

Рисунок 2 - Основные этапы методологии БМК - ПЛИС - БМК

2. Получение образцов микросхем, соответствующих требованиям технического задания, при первом изготовлении, что достигается за счёт:

- применения определённых правил проектирования на стадии создания электрической схемы;

- разработки функциональных и контрольно-диагностических тестов проверки проекта микросхемы, обеспечивающих не только проверку правильности функционирования и тестируемости, но и полный параметрический контроль микросхемы;

разработки топологии с учётом особенностей конструкции БМК, проекта микросхемы и списка скоростных цепей;

- аттестации логического проекта в . условиях воздействия факторов

окружающей среды и разброса технологических параметров.

3. Применение оригинальной библиотеки функциональных ячеек, учитывающей специфику БМК;

4. Применение метода прототипирования микросхем, позволяющего провести исследование и отработку проекта на имитаторах микросхем в составе аппаратуры до их изготовления;

5. Применение финишной аттестации проекта микросхемы с учётом параметров топологии микросхемы.

Проектирование полузаказных микросхем средствами САПР с применением имитатора БМК на ПЛИС

Методика проектирования полузаказных микросхем с применением имитаторов БМК направлена на получение микросхем, соответствующих требованиям технического задания, уже после первого изготовления.

Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма проектирования полузаказных микросхем с применением имитаторов БМК

На рисунке 3 представлена блок-схема алгоритма проектирования полузаказных микросхем с применением имитаторов БМК, на котором цветом отмечены этапы проектирования, отличающие его от традиционного маршрута разработки. Данная методика, в дополнение к разработке логического проекта и топологии микросхемы, включает в себя этап прототипирования проекта микросхемы на имитаторе для последующего исследования и отработки в составе аппаратуры.

После этапа верификации логического проекта, разработанного в базисе БМК, выполняется аттестация проекта без учёта топологии. Это позволяет уже на начальном этапе разработки выявить скрытые дефекты логической схемы и устранить их. Затем проводится размещение внешних выводов микросхемы в соответствии с конструкцией БМК, что позволяет перейти к этапу прототипирования и исследования имитатора БМК. Для этого осуществляется автоматическое преобразование логической схемы в базис ячейк ПЛИС и логическая верификация полученной схемы, что позволяет проверить правильность функционирования проекта микросхемы в базисе ПЛИС в составе имитатора. При соответствии функционирования требованиям технического задания выполняется конвертация проекта в формат САПР ПЛИС. Реализация средств прототипирования в САПР «Ковчег» представлена на рисунке 4.

САПР БИС 1.3! • Проект* 526 Проект Редактирование Вид

н ййн.» щ а ч 'У

V X

о

• Схема КА - Логичеодае

Схема Выполнить Средсла Окно Справка

Бнподнйть:!/

Г51Ж-Ж

•Моделирование ^ Коделфовать

Задать параметры конта... Обнов-пъ текущие диагр... Сравкггъ еггаломмъочд...

ПрООЧ/Тр СХеКв:

Тесты

Комтрояы-ые Т:>чю1 @ Модеятроммие

0 ' I Иккгвтор :БМСма БМК""

■ Создать схему* Я? 39 ,

Ш\ г ж ; % &

Я ЕОИЦ-рОВАМИ» СкеиЫ ДЛЯ ИМИТ

Г^ЦВВЯ^Ж л1 VРВЗВД.^М ;; /1оп»чео«>е ноделкроеаг«« КЛ.гй]

Ш

А 05

СЕ

НОШ

НША

ИШАТ

НЕС

Е1Н0

СЭКАМ

СУ

од

8ШШ

жиг

ИУЦ ШШЖШШШМИПШМВИЩШШ _пяввегтпт

'- I -

тштт

ПИ 11

IIII! I I: II

ттттеш

шт

мШГШШШШГПТТВГШ _1ШТШТШ

_л

ггп

1111 Я III

ам |11п11|11;1;1|1ИП1|1»11||И8|:ЙЭ I

Ш1М1ИШ1НМ1М1ИМ ■■■ Ш||;

_1_

ГГТТШ

вывод

О Ошибки ^ Пре^уреждеиия Сосбщ.нкя ^ а ^ 4:р.*«роэел|я днегре.*2, в^с.-.еек? %-ссеяр.о.

Рисунок 4 - Реализация программных средств прототипирования в САПР

«Ковчег»

Из полученного описания средствами САПР ПЛИС формируется файл специализации ПЛИС, который записывается в ПЗУ имитатора. Далее для устранения возможных ошибок на данной стадии разработки имитатор с проектом БИС проверяется на контрольно-измерительном оборудовании. При этом используются тестовые воздействия и эталонные выходные реакции проекта микросхемы в базисе БМК, что гарантирует функциональное совпадение имитатора и проекта микросхемы.

Проверенный таким образом имитатор передаётся заказчику, который выполняет монтаж имитатора в аппаратуру для исследования и отладки. Все несоответствия техническому заданию, а также не описанные в нём конфликтные ситуации, выявленные в процессе исследования аппаратуры, исправляются в проекте микросхемы, и процесс прототипирования повторяется до полного устранения всех ошибок. По завершении отладки разрабатывается топология микросхемы, выполняется финишная аттестация проекта с учётом разброса внешних и внутренних факторов, формируется информация для изготовления БИС и передаётся в производство.

Алгоритм аттестации проекта микросхемы в условиях изменяющихся внешних и внутренних факторов

Завершающим этапом разработки полузаказной БИС на БМК, а также проверкой пригодности проекта для прототипирования является аттестация проекта микросхемы, которая заключается в исследовании функционирования проекта в условиях воздействия внешних факторов и влияния технологического разброса параметров транзисторов. Блок-схема алгоритма аттестации приведена на рисунке 5.

Изменение указанных факторов влияет на поведение активных и пассивных элементов микросхемы, которые в свою очередь влияют на изменение временных соотношений сигналов. Это может привести к возникновению сбоев в функционировании микросхемы. Аттестация заключается в многократном повторении процесса моделирования проекта микросхемы при различных значениях факторов (минимальном, номинальном, максимальном), влияющих на характеристики функциональных ячеек с последующим сравнением полученных результатов с эталонными реакциями. Эталонными считаются реакции, полученные при моделировании проекта в нормальных условиях без учёта задержек в топологии.

Методы прототипирования и аттестации в совокупности с правилами бездефектного проектирования позволяют гарантировать получение

микросхем, соответствующих требованиям технического задания при их первом изготовлении.

^ Эталонные воздействия и реакции ^

Напряжение питания: и=1

Температура внешней среды: Т=1

Специальные факторы: Р=1

Параметры р-транзисторов: Р=1

Параметры п-транзисторов: N=1

Параметры топологии: 11=1

Моделирование - *-

Совпадает ?

Выдача сообщения

да^

Сопротивление соединений: Я= Я+1 - -

- Ц=-1У

дау

Параметры п-транзисторов: N° N+1

N=3?

да^

Параметры р-транзисторов: Р= Р+1 -————-

- р=зТ~~~~г==

да^

Специальные факторы: Р=Р+1 --

Температура внешней среды: Т=Т+1 - ^ --

— ~~ Т=3 ? ~

да^

Напряжение питания: и=и+1 - + --

- и=г/ --г

с

да^

Формирование листинга результатов аттестации

)

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма аттестации 16

Внешний вид подсистемы аттестации проекта микросхемы САПР «Ковчег» представлен на рисунке б._________

0} сдгр аис ¿о 1 г гьм« а« < Смм^КА • *ттмт

: Про«! Ришнрмагм* 1<Ч - :»н| выпоят г» Сдоен» Огне . Спрни • . .

Н---Й 53 В; -х "» ** ¿Д ; ;Ь1С "» *** :' • ■ 85 С«К<т. сгеыу » В еЯ ^ • ^ а >

Выедют1!* * х! КА.Ы ! Рштим« ■«•ж .{ Оптом югътялолеп«.! * гтастяии проел* Ршятвв »вгютгм 1 • *

ГйГ|-8> "X о - -у -Анвли» устойчивости по тр«и *йв 4вниан параметров.С имитацией ■дма.-л.-'й-^ м•?«

- к«агт»пкя н • щ] щт * г Т*нц « р »тур« ¡^утюя».- Крута»» контакте, первого- 1

пробей 15) ^ , £ р»7р«к»нетор»

• .. дчмм л» д.1* »<*•«* •• -«С г'С* г*^

Ачым * Тргт - 3 В< «.» 1С

' .' Соттрмграмтькдеет* в* 1.0 30 нккимук мкюэсм иишсфк

».5 29 Кипо<щ ймкцк

1 З7 4.5 ;29 нхкмиуи нжккиу« Улиос г/*

!.0 И» Микмкун Нмомук .Чимее)*

5 5 :«сю»1ум \Uswyri Мюосфк

... 1 1 » -«5

реажт!«**** хго ет 3-1 1 9 -«: Комки а-1 Нию*«м нк.чии>"х '1

В*мд » X

Г- о Ьм«м

м' Ть<ее=1 ¿гь 1 («19« ф сп* 111«(п«. (юздлсю 1 :г:.-УТ«1С^! и Л}.

_......• .. . £____ у. _

Рисунок 6 - Окно подсистемы аттестации проекта микросхемы САПР

«Ковчег»

Средства конвертации проекта полузаказной микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы ХШпх

Для реализации средств конвертации были решены следующие задачи:

1) разработан алгоритм конвертации проекта микросхемы из базиса функциональных ячеек библиотеки БМК в базис ячеек библиотеки ПЛИС;

2) разработаны функциональные аналоги библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС, сформулированы требования к схемотехнической реализации БМК, обеспечивающие возможность конвертации;

3) разработан алгоритм специализации имитатора микросхемы.

Конвертация проекта БИС из базиса БМК в базис ПЛИС выполняется в

САПР средствами транслятора структурного описания. Для этого автоматически формируется иерархическое описание проекта микросхемы в формате САПР БМК, которое строится по принципу «от простого к сложному»: в начале располагаются описания подсхем и блоков, а затем описание головной схемы, включающей в свой состав описанные ранее блоки и подсхемы. Таким образом, исходное описание проекта микросхемы выполнено в базисе яЧеек БМК. Для перехода в базис ПЛИС были разработаны их функциональные аналоги в базисе библиотеки ПЛИС. Логические, комбинационные и периферийные ячейки и драйверы легко реализуются в базисе базовых ячеек ПЛИС. Несущественное ограничение имеется для периферийных ячеек БМК с внутренним доопределением до высокого и низкого уровней. В библиотеке БМК эти ячейки имеют

17

возможность выбора одного из 4-х номиналов резисторов доопределения, а библиотека ПЛИС позволяет задать только один тип доопределения без выбора номинала. Но это не влияет на возможность прототипирования. Триггеры Лв-типа, хотя и отсутствуют в библиотеке ПЛИС, также легко реализуются на наборе комбинационных ячеек. Фронтовые триггеры, за исключением триггера с асинхронным сбросом и установом, входят в состав библиотеки ПЛИС. Триггеры с синхронизацией по уровню полностью отсутствуют в библиотеке ПЛИС, для них были разработаны функциональные аналоги в базисе ПЛИС. Описание библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС должно предшествовать исходному описанию проекта микросхемы.

Сформированное таким образом иерархическое описание проекта микросхемы, включающее в себя описание ячеек библиотеки БМК в базисе библиотеки ПЛИС и исходное описание проекта микросхемы в базисе ячеек библиотеки БМК, средствами транслятора преобразуется в описание проекта микросхемы в базисе ячеек библиотеки ПЛИС в формате ЕБШ или Уеп1о§. Это описание используется в качестве входной информации САПР ПЛИС для получения файла специализации ПЛИС. Блок - схема алгоритма конвертации описания микросхемы представлена на рисунке 7.

Иерархическое описание проекта микросхемы

шш : ': БМ! ШШ! шил шшкж йВяга М 111!

■ 1 1 1 11111 ПИР II 1 №|| И II111

Транслятор

Описание проекта микросхемы в базисе ячеек библиотеки ПЛИС в формате ЕОИ7 или Уеп1о§

Рисунок 7 - Блок - схема алгоритма конвертации описания микросхемы

Семейство имитаторов прототипирования проектов микросхем для отечественных БМК специального назначения

Основными требованиями при разработке имитаторов являются их функциональная эквивалентность эталонной микросхеме, а также конструктивное соответствие расположению выводов прототипируемых микросхем, что обеспечивает возможность их монтажа в аппаратуре на посадочное место корпуса разрабатываемой микросхемы.

Внешние выводы имитатора имеют аналогичные корпусу микросхемы ширину и расстояние между выводами. Это условие было реализовано для БМК серий 5503 и 5507 в корпусах с шагом выводов 1 мм с помощью контактов для цанговых разъёмов, а для корпусов с шагом 0,5 мм - с помощью набора коммутационных печатных плат и дополнительного разъёма, который обеспечивает простоту снятия и установки имитатора в аппаратуре.

Функциональная часть имитатора включает в себя ПЛИС, ПЗУ для её специализации и схему обслуживания. Критериями для выбора ПЛИС, пригодной для использования в имитаторе, являются совместимость библиотек функциональных ячеек ПЛИС и БМК, совместимость электрических параметров, а также объём реализуемой схемы. Наибольшей совместимостью по критерию состава библиотечных ячеек обладают ПЛИС фирмы Xilinx. Электрические параметры этих ПЛИС позволяют прототипировать БМК с напряжением питания 5 В и 3 В. Экспериментальным путём был определён коэффициент реализации проекта микросхемы на БМК в базисе ПЛИС: объём ПЛИС должен превышать объём прототипируемой микросхемы не менее, чем в 5 раз. Исходя из перечисленных требований, были выбраны конкретные типы ПЛИС фирмы Xilinx семейств Spartan, Spartan-3 и Spartan-6. На базе выбранных типов ПЛИС были разработаны имитаторы микросхем для БМК специального назначения серий 5503, 5507, 5521 и 5529. Внешний вид имитаторов представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 - Внешний вид имитаторов Заключение

В диссертационной рабоге выполнена разработка методов прототипирования и аттестации, алгоритмов проектирования, средств САПР и библиотек ячеек для исследования и оперативной отладки проектов полузаказных микросхем в составе макетных и опытных образцов аппаратуры в процессе их разработки, обеспечивающих сокращение сроков, уменьшение

19

стоимости и повышение качества образцов новой техники. При выполнении работы достигнуты следующие результаты:

1. Выполнен анализ существующих методологий проектирования аппаратуры специального назначения на основе программируемых логических микросхем и базовых матричных кристаллов;

2. Исследованы методы и средства проектирования специализированных микросхем в процессе разработки аппаратуры;

3. Разработана методология разработки аппаратуры с применением полузаказных микросхем на БМК, основанная на новых методах взаимодействия проектировщика с САП? и позволяющая получать функционирующие прототипы микросхем до их изготовления;

4. Разработан метод прототипирования и алгоритм проектирования полузаказных микросхем с отработкой проектов микросхем в составе аппаратуры на имитаторах БМК, обеспечивающий сокращение времени разработки, как самой микросхемы, так и аппаратуры с её применением;

5. Разработан алгоритм промежуточной и финишной аттестации проекта микросхемы, позволяющий исследовать поведение микросхемы в условиях изменяющихся внешних факторов с учётом технологического разброса параметров транзисторов;

6. Разработаны конструктивно-функциональные принципы реализации и конструкции имитаторов БМК на ПЛИС, позволяющие создавать функциональные аналоги полузаказных микросхем, конструктивно совместимые с корпусами БМК

7. Создано семейство имитаторов для прототипирования проектов микросхем для БМК серий 5503, 5507, 5521, 5529, получивших широкое распространение при проектировании аппаратуры космического и специального назначения:

8. Разработана базовая методика оперативной конвертации проекта

микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС фирмы Xilinx;

9. Проведён анализ существующих библиотек ячеек, определён состав базовых ячеек библиотеки БМК и разработаны их функциональные аналоги в базисе ПЛИС;

10. В составе САПР полузаказных БИС «Ковчег» реализованы программные средства оперативной конвертации и аттестации проекта микросхемы.

11.Результаты, диссертационной работы реализованы в более 120 проектах специализированных микросхем и внедрены на ведущих предприятиях, специализирующихся на разработке и изготовлении космической и другой специальной аппаратуры.

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы достигнута её основная цель, а именно - разработана методология автоматизированного проектирования полузаказных микросхем БМК-ПЛИС-БМК с применением новых методов взаимодействия проектировщика с САПР, включая разработку методов, средств, библиотек ячеек и алгоритма проектирования и позволяющая получать функционирующие прототипы микросхем до их изготовления.

Диссертационная работа представляет собой комплекс научно-технических решений, реализация которых имеет техническое и экономическое значение для обеспечения возможности бездефектного проектирования специализированных микросхем и сокращения времени разработки, как самой микросхемы, так и аппаратуры с её применением.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Денисов А.Н. Методология проектирования аппаратуры по технологии БМК-ПЛИС-БМК // Известия ВУЗов. Электроника, № 5,2009 стр.85-86.

2. Гаврилов C.B., Денисов А.Н., Росляков A.C., Федоров P.A., Малашевич Н.И. Диагностирование самосинхронных функциональных ячеек средствами САПР "Ковчег// Известия ВУЗов. Электроника.-2011.- №1(87).-С.40-45.

3. Денисов А.Н., Мальцев П.П. Повышение радиационной стойкости микросхем на основе нового поколения БМК и чувствительных элементов датчиков - Известия ЮФУ. / 2008. №2, С. 45 - 51,

4. Басаев A.C., Денисов А.Н., КоняхинВ.В., Сауров А.Н. Применение базовых матричных кристаллов при разработке аппаратуры специального назначения//Вестник концерна ПВО «Алмаз-Антей»,- 2011.-№2.- С.69-79.

5. Денисов А.Н., КоняхинВ.В., Якунин А.Н., Бец В.П. Разработка аппаратуры космического применения с использованием базовых матричных кристаллов//Вестник ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина».-2012.-№5.-С.67-72.

Материалы и тезисы докладов научных конференций

1. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработка базовых матричных кристаллов в ГУ НПК "Технологический центр" МИЭТ // ПЛЕНКИ - 2002 / Материалы Международной научно-технической конференции "Тонкие пленки и слоистые структуры", 26-30 ноября 2002 г., г. Москва. - М.: МИРЭА, 2002, часть 2, с. 305

2. Денисов А.Н., Коняхин В.В. Разработка аппаратуры специального назначения по технологии БМК-ПЛИС-БМК // IV научно-практическая конференция «Проблемы обеспечения изделий авиационной и ракетно-

космической отрасли высококачественной элементной базой», г.Сочи, 29 сентября - 3 октября 2003г., МНТО РЭС им. А.С.Попова, Москва 2003г. Тезисы докладов, с. 18.

3. Басаев A.C., Денисов А.Н., Коняхин В.В., Мальцев П.П. Методология проектирования радиационно-стойких микросхем на основе БМК для космических аппаратов // Материалы III Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008", (МЭС-2008). - г. Москва, 12-16 октября 2008 г., 8 с

4. Денисов А.Н., Коняхин В.В., Гаврилов C.B., Средства оперативной разработки полузаказных БИС // Труды 8-ой Международной конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, ПЭМ-2002», Таганрог, 2002, с. 56.

5. Басаев A.C., Денисов А.Ц., Коняхин В.В, Мальцев П.П. Специализированные интегральные микросхемы космического применения на основе базовых матричных кристаллов // Материалы Всероссийской конференция «Пути повышения радиационной стойкости микросхем на основе БМК для космических аппаратов». - «Электронстандарт», г. Санкт-Петербург, 2008г., 7 с.

6. Денисов А.Н., Мальцев П.П .Повышение радиационной стойкости микросхем на основе нового поколения БМК и чувствительных элементов датчиков // Материалы Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», 7-13 апреля 2008 г., п. Домбай, 9 с.

7. Гаврилов C.B., Денисов А.Н., Коняхин В.В. САПР полузаказных КМОП БМК // Труды 8-ой Международной конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Таганрог: 2002, с. 58.

Публикации в других изданиях

1. Денисов А.Н., Фомин Ю.П., Коняхин В.В., Фёдоров P.A.. Библиотека функциональных ячеек для проектирования полузаказных микросхем серий 5503 и 5507 /Под ред. А.Н. Саурова,- М.: Техносфера, 2012.

2. Денисов А.Н., Шелепин H.A., Обеспечение качества РЭА на этапе проектирования специализированной ЭКБ // Петербургский журнал электроники, №3-4, 2004, с. 169.

3. C.B. Гаврилов, А.Н.Денисов, В.В. Коняхйн. Систем& автоматизированного проектирования "Ковчег 2.1". /Под ред. Ю.А. Чаплыгина.- М.: Микрон-Принт, 2001.

4. А.С.Басаев, А.Н.Денисов, В.В.Коняхин, П.П.Мальцев Специализированные интегральные микросхемы космического применения на

основе базовых матричных кристаллов - Петербургский журнал электроники. / 2008. №1, С. 34-39

5. Денисов А.Н., Семенов М.Ю. «Принципы построения унифицированной библиотеки элементов для ПЛИС и БМК».: М., Электронная промышленность, №1,1996г.

6. Степченков Ю.А., Денисов А.Н., Дьяченко Ю.Г., Гринфельд Ф.И. и др. Библиотека элементов базовых матричных кристаллов для критических областей применения // Системы и средства информатики. Вып.14. - М.: Наука, 2004, с. 318-361.

7. Степченков Ю.А., Денисов А.Н., Дьяченко Ю.Г., Гринфельд Ф.И. и др. Библиотека элементов базовых матричных кристаллов для критических областей применения // Системы и средства информатики. Вып.14. - М.: Наука, 2004, с. 318-361.

Формат60.84 1/16. Уч.-издл. . Тираж80 экз.Заказ ел

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»

Экз. №

04201450341

ДЕНИСОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

Разработка методов и средств проектирования полузаказных микросхем

с применением имитаторов

Специальность 05.13.12

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сауров А.Н.

Москва, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................5

1 Методология проектирования аппаратуры специального назначения.............9

1.1 Методология дискретных элементов.............................................................11

1.1.1 Средства и методы проектирования...........................................................11

1.1.2 Основные этапы методологии дискретных элементов.............................12

1.2 Методология БМК............................................................................................14

1.2.1 Конструктивные особенности БМК...........................................................15

1.2.2 Методы проектирования..............................................................................16

1.2.3 Средства проектирования............................................................................19

1.2.4 Маршрут проектирования полузаказной БИС...........................................20

1.2.5 Библиотека ячеек БМК.................................................................................23

1.2.6 Основные этапы методологии БМК...........................................................28

1.3 Методология ПЛИС-БМК...............................................................................30

1.3.1 Конструктивные особенности ПЛИС.........................................................31

1.3.2 Методы проектирования..............................................................................34

1.3.3 Библиотека ячеек..........................................................................................35

1.3.4 Маршрут проектирования............................................................................36

1.3.5 Методы перевода проекта ПЛИС в базис БМК.........................................37

1.3.6 Импортозамещающая технология ПЛИС - БМК......................................42

1.4 Практическая применимость методологий ПЛИС-БМК.............................46

2 Методология БМК - ПЛИС - БМК........................................................................48

2.1 Основные этапы методологии БМК - ПЛИС - БМК....................................49

2.2 Методы и правила проектирования................................................................51

2.2.1 Общие правила разработки подсхем..........................................................52

2.2.2 Правила применения триггеров..................................................................54

2.2.3 Правила разработки синхронных схем.......................................................57

2.2.4 Правила разработки асинхронных схем.....................................................61

2.2.5 Правила разработки комбинационных схем..............................................67

2.2.6 Правила согласования синхронных и асинхронных сигналов.................67

2.2.7 Правила использования периферийных ячеек...........................................70

2.2.8 Правила тестирования..................................................................................76

2.2.9 Метод прототипирования............................................................................81

2.3 Библиотека БМК для бездефектного проектирования.................................82

2.3.1 Структура библиотеки.................................................................................85

2.3.2 Система обозначений библиотеки ячеек....................................................86

2.3.3 Функциональный состав библиотеки ячеек...............................................87

2.3.4 Учёт специфики БМК...................................................................................94

2.4 Средства проектирования................................................................................95

2.4.1 Основные характеристики подсистемы функционально-логического моделирования...................................................................................98

2.4.2 Подсистема аттестации проекта................................................................100

2.5 Маршрут и методика проектирования полузаказной микросхемы с применением имитатора...........................................................................................101

2.5.1 Этап разработки и функциональной верификации логической схемы 102

2.5.2 Этап разработки топологии.......................................................................108

2.5.3 Этап прототипирования и исследования имитатора в аппаратуре........114

2.5.4 Этап аттестации проекта............................................................................115

2.6 Преимущества методологии БМК - ПЛИС - БМК......................................118

3 Разработка средств прототипирования полузаказных микросхем...................120

3.1 Принципы конвертации проекта БИС в базис ПЛИС................................120

3.2 Выбор семейства ПЛИС................................................................................121

3.3 Разработка функциональных аналогов библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС..........................................................................................................................124

3.3.1 Структура конфигурируемого логического блока ПЛИС фирмы Х1ЬШХ....................................................................................................................124

3.3.2 Особенности библиотеки ячеек БМК.......................................................126

3.3.3 Функциональные аналоги триггеров........................................................127

3.4 Разработка конструкции имитаторов...........................................................130

3.5 Программные средства прототипирования.................................................133

3.5.1 Подготовка описания проекта БИС..........................................................133

3.5.2 Формирование программы зашивки ПЛИС.............................................134

3.5.3 Специализация имитатора.........................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ А АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ... 161

ВВЕДЕНИЕ

В структуре мирового рынка интегральных микросхем (ИС) специализированные микросхемы, предназначенные для применения в конкретном изделии и, как правило, используемые одним производителем радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), составляют около 10% общего объёма продаж микроэлектроиных компонентов. Примерно такая же доля приходится на специализированные микросхемы в совокупном потреблении ИС российскими изготовителями РЭА. В современных условиях непрерывного обновления и расширения номенклатуры и ассортимента РЭА потребности в специализированных ИС постоянно возрастают. Основным движущим фактором этого служит постоянное появление образцов новой техники, создание которых требует разработки заказных (полностью оригинальных) и полузаказных (реализуемых на базовых матричных кристаллах) микросхем. Однако, потребности в конкретных типах микросхем, как правило, относительно невелики.

Разработка аппаратуры не может быть выполнена только на уровне компьютерного моделирования. Необходимо изготовление макетных и опытных образцов изделий, при отработке которых требуется оперативное изменение проектов микросхем и получение образцов в кротчайшие сроки. Для этих целей наиболее эффективным является применение полузаказных ИС, для изготовления которых нужно только сформировать на унифицированной пластине с базовыми матричными кристаллами (БМК) слои металлических межсоединений, разделить пластину на кристаллы и закорпусировать полученные кристаллы.

Важными аспектами при разработке аппаратуры, особенно специального назначения, являются эффективность процесса разработки и область применения. Для такой аппаратуры возможно применение элементной базы преимущественно отечественного производства, обеспечивающей жёсткие условия эксплуатации. При этом важную роль играет методология разработки, направленная на совершенствование процессов и сокращение сроков проектирования образцов новой техники, а также ориентированная на использование отечественной элементной базы.

В последнее время широкое распространение получила методология разработки аппаратуры ПЛИС-БМК, в соответствии с которой разработка макетного образца изделия выполняется на программируемых логических ИС (ПЛИС) импортного производства с последующим перепроектированием в полузаказные микросхемы. Простота перепрограммирования ПЛИС позволяет оперативно корректировать проект микросхемы, за счёт чего достигается значительное сокращение времени разработки. Однако при переходе от ПЛИС к полузаказной микросхеме на основе БМК возникают проблемы, обусловленные различиями конструкции, схемотехнической реализации и динамических характеристик, не позволяющие выполнить автоматическое конвертирование проекта ПЛИС в базис БМК. В результате требуется полное перепроектирование специализированной микросхемы из ПЛИС в базис отечественных БМК. Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемая в данной диссертационной работе методология разработки аппаратуры, объединяющая в себе процесс проектирования полузаказной микросхемы с возможностью оперативного получения прототипа разрабатываемой микросхемы в виде имитатора с использованием в составе имитатора ПЛИС и отработки проекта полузаказной микросхемы в составе аппаратуры до её изготовления (далее, методология БМК-ПЛИС-БМК).

Целыо диссертационной работы является разработка методов, средств, библиотек ячеек и маршрута проектирования полузаказных микросхем, ориентированных на использование в высоконадёжной аппаратуре специального назначения, позволяющих выполнять оперативное прототипирование микросхем в составе реальной аппаратуры для обеспечения сокращения сроков создания, уменьшения стоимости разработки и повышения качества образцов новой техники.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать существующие методологии проектирования аппаратуры специального назначения, в том числе с применением БМК;

2. Исследовать методы и средства проектирования специализированных микросхем в процессе разработки аппаратуры;

3. Разработать метод и средства взаимодействия проектировщик - система на основе методологии БМК-ПЛИС-БМК при проектировании аппаратуры специального назначения;

4. Разработать маршрут проектирования полузаказной микросхемы с отработкой в составе аппаратуры средствами имитатора микросхемы;

5. Провести анализ библиотеки ячеек БМК и разработать их функциональные аналоги в базисе ПЛИС;

6. Разработать принципы и средства оперативной конвертации проекта микросхемы из базиса БМК в базис ПЛИС для последующего прототипирования с помощью имитатора и исследования разрабатываемой микросхемы в составе аппаратуры;

7. Разработать конструкции имитаторов микросхем, соответствующих типам БМК.

8. Оценить эффективность разработанных в рамках реализации методологии БМК-ПЛИС-БМК метода и средств взаимодействия проектировщик - система, маршрута проектирования, принципов и средств оперативной конвертации проектов микросхем из базиса БМК в базис ПЛИС, использования имитаторов микросхем при создании реальной аппаратуры специального назначения.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Методология автоматизированного проектирования полузаказных микросхем БМК-ПЛИС-БМК с применением новых методов взаимодействия проектировщика с САПР, позволяющая получать функционирующие прототипы микросхем до их изготовления.

2. Маршрут проектирования полузаказных микросхем средствами САПР «Ковчег», обеспечивающий в отличие от традиционного, отладку проекта микросхемы с использованием имитатора в составе реальной аппаратуры.

3. Функциональные аналоги библиотечных ячеек БМК в базисе ПЛИС, позволяющие осуществлять автоматический переход от логического проекта микросхемы на БМК в структурное описание ПЛИС.

4. Метод конвертации полузаказных микросхем на основе отечественных БМК в базис ПЛИС, обеспечивающий сокращение времени разработки, как самой микросхемы, так и аппаратуры с её применением.

1 Методология проектирования аппаратуры специального назначения

Разработка современной аппаратуры - сложный и длительный процесс, в ходе которого решаются системные и технические задачи, выполняется проектирование специализированной элементной базы, отрабатываются алгоритмы функционирования, интерфейсы и взаимодействие блоков в составе изделия, разрабатываются печатные платы и конструкция, разрабатывается и тестируется программное обеспечение и т.д. При этом используются определённые методы и маршруты проектирования, позволяющие реализовать необходимые схемотехнические решения с помощью программных или аппаратных средств. Все перечисленные аспекты процесса разработки аппаратуры образуют методологию проектирования [ 1 ].

Методология проектирования определяется, прежде всего, элементной базой, выбор которой обуславливается требованиями к назначению и условиям эксплуатации аппаратуры. В случае разработки аппаратуры специального назначения основным требованием является использование преимущественно отечественной элементной базы, разрешённой для применения в такой аппаратуре и позволяющей функционировать в жёстких условиях эксплуатации.

Таким образом, методология проектирования - это совокупность методов и маршрутов проектирования, обеспечивающих реализацию необходимых схемотехнических решений с учётом условий эксплуатации на определённой элементной базе с помощью программных и аппаратных средств (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1— Составляющие методологии проектирования

Основные этапы процесса разработки изделий электронной техники определены ГОСТ РВ 15.205 (рисунок 1.2), но имеют свои особенности, прежде всего связанные с применяемой элементной базой.

Рисунок 1.2 - Основные этапы процесса разработки изделий электронной

техники

При разработке аппаратуры специального назначения широкое распространение получили полузаказные микросхемы и связанные с ними методологии проектирования. На сегодняшний день можно выделить две методологии, использующие в качестве элементной базы полузаказные микросхемы. Это - методология БМК и методология ПЛИС-БМК, которые, в свою очередь, формировались на основе методологии дискретных элементов.

1.1 Методология дискретных элементов

Методология дискретных элементов базировалась на микросхемах малой и средней степени интеграции, а также дискретных компонентах. Разработчик мог использовать серийно выпускаемые микросхемы, функциональные возможности которых были весьма ограничены. Так наиболее развитая серия микросхем 555 включала в себя 122 типономинала, самым сложным из которых был 8-разрядный последовательный сдвиговый регистр [2]. Хотя общее число выпускаемых отечественных серий ИС было достаточно велико (около 200 серий [ 2-4 ]), разработчик сталкивался с тем, что электрические и конструктивные параметры различных серий микросхем (такие как, напряжение питания, логические уровни, выходные токи, быстродействие, типы корпусов и т.д.), допустимые условия эксплуатации часто были несовместимы, в силу чего они не могли совместно применяться в рамках одного изделия.

1.1.1 Средства и методы проектирования

Программные средства проектирования были недостаточно развиты. Они представляли собой несвязанные друг с другом программы расчёта печатных плат и электронных схем [ 5 ]. В основном применялись экспериментальные методы

проектирования. Переход к компьютерным расчётам и моделированию требовал разработки адекватных математических моделей схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры и численных методов исследования.

Процесс разработки аппаратуры сравнивался с искусством [ 6 ]. Он выполнялся не с помощью средств моделирования, а непосредственно в процессе экспериментальной отладки аппаратуры. Поэтому требовались многократные переработки печатных плат, что существенно увеличивало время разработки аппаратуры. Для уменьшения затрат при проектировании использовались типовые схемотехнические решения [ 7 - 10 ], качество разработки в основном определялось опытом и квалификацией разработчика.

1.1.2 Основные этапы методологии дискретных элементов

Методология дискретных элементов включала основные этапы разработки эскизного и технического проектов, изготовление и проведение испытаний макетного, экспериментального и опытного образцов и имела свои особенности (рисунок 1.3).

Разработка начиналась с выбора конкретных типов микросхем, дискретных компонентов и других элементов, которые удовлетворяли техническим требованиям к изделию и могли быть использованы в серийной аппаратуре. При этом учитывались и электрические параметры и условия эксплуатации. Электрическая схема изделия разрабатывалась на выбранной элементной базе. Печатные платы также проектировались с ориентацией на конечный вариант аппаратуры. В силу ограниченных возможностей дискретной элементной базы аппаратура на её основе состояла из большого числа модулей, реализованных в виде печатных плат, которые представляли собой законченные функциональные узлы и блоки.

Рисунок 1.3 - Основные этапы методологии дискретных элементов

Использование типовых схемотехнических и конструктивных решений с применением методов экспериментальной отработки аппаратуры позволяли минимизировать затраты на стадии разработки макетного образца. Отладка изделия выполнялась поэтапно: вначале отлаживались отдельные печатные платы, узлы, модули, а затем макетировалось изделие в целом. Основные проблемы при отработке макетного образца возникали при стыковке печатных плат и