автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка системы многоуровневого моделирования семейств биполярных матричных БИС высокой сложности

п - л « 1Га правах рукописи

с , о и Л

ЧЕВЫЧЕЛОВ Юрий Акимович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕМЕЙСТВ БИПОЛЯРНЫХ МАТРИЧНЫХ ВИС ВЫСОКОЙ СЛОЖНОСТИ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

i

Автореферат диссертации ка соисгашге ученой степени доктора технических наук

Воронеж-1997

' N ■

Работа выполнена в научно - проиоводственном объединении "Электроника" (г.Воронеж)

Научный консультант: Лауреат Государственной премии СССР,

д-р техн. науж, профессор Межов В.Е.

Официальные оппоненты: д-р техн. паут, профессор Прохоров НЛ.

д р.техн. науж, профессор Норепков ИЛ. д-р техн. науж, профессор Батищев Д.И.

Всдущаяорганиоация: Научно-исследоватсльсжнн центр

«электронной вычислительной техники (НИЦ ЭВТ, г.Момва)

Защита диссертации состоится мая 1997 г. в час.

в конференц-аале на ааседанин диссертационного Совета Д063.81.02 при Вороиежсжом государственном техническом университете до адресу: 394026 г. Воронеж,Московский проспект, 14 .

С диссертацией можно оонажомнться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан

апреля 1997 г. "

Ученый секретарь диссертационного Совета

Львович Я.Е.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современные микроэлектронике технологии обеспечивают совдание БИС сложностью порядка 10т олементов на кристалл. Рост сложности схем наставляет раоработчиков концентрировать внимание не только на отдельных аспектах проектирования, но и на процессе в целом и вести проект одновременно на нескольких уровнях абстракции. Это определяет высокие требования к производительности аппаратных и программных средств автоматЕоацин проектных работ. Время проектирования становится одним ии наиболее критичных факторов, определяющих при оаданном уровне качества создание новых изделий микроэлектроники. Решение подобных оадач достигается мобилизацией всех доступных. реоервов (увеличением тактовой частоты испольоуеиых ЭВМ, модерниаацпей программных средств для повышения проипводителыюсти решения комплекса гзадач, применения новых методов и стратегий проектирования, введения в состав АРМ специализированных процессоров для форсирования наиболее трудоемких оадач).

Одним ио направлений решения задачи радикального сокращения времени проектирования является раоработка п производство семейств полу-оакаоных БИС с повышенной степенью интеграции на базовых матричных кристаллах (БМК), выполненных по биполярной технологии. Ключевая »

роль при отои отводится средствам автоиатпопровашгого проектировали^ высокой производительности, способных решать оадачи логического проектирования в условиях большой сложности цифрового объекта и жестких временных ограничениях на его проектирование.

Необходимость согщания и включения системы многоуровневого моделирования (СММ) в качестве структурного компонента САПР и отсутствие общей методологии ее построения делают актуальной раоработку методов и алгоритмов повышения эффективности СММ, построение оптимальных моделей объектов проектирования, внедрение и оперативной отладку таких средств к быстро меняющимся условиям проиоводства. Со-оданне СММ предполагает существенное повышение эффективности я качества проектных работ на счет комплексного исподьоовання лингвистического и информационного обеспечения, программных и аппаратных средств

повышения производительности процедур верификации и оптимальной ор- ^ ганиоацни процесса проектирования.

Диссертационная работа является частью комплексной работы, проводимой в-рамках важнейших работ департамента оясктронпой промышленности Минобороннрома РФ и плана создания новой техники НПО "Электроника."

Цель работы и оадпчп исследования. Целью работы является рао-работка.и соодание системы многоуровневого моделирования семейств биполярных БИС высокой сложности, обеспечивающей сокращение сроков исполнения проекта, повышение эффективности и качества процесса проектирования.

В соответствии с поставленной целью основными «задачами работы являются: обоснование архитектуры интегрированной системы многоуровневого моделирования (СММ) повышенной проивводательиосги семейств биполярных матричных БИС нового поколения высокой сложности, определение основных .ее параметров, принципов реализации и структуры программного обеспечения; формирование рациональных проектных процедур и функциональных требований к подсистемам интегрированной системы многоуровневого моделирования семейств биполярных матричных БИС; алгоритмизация основных проектных процедур СММ в соответствии с ориентацией на автоматический и интерактивный режимы проектирования; раоработка и внедрение елементов лингвистического, информационного, математического и программного обеспечения интегрированной системы многоуровневого моделировании! повышенной производительности семейств биполярных матричных БИС нового поколения; построение интегрированной системы проектирования семейств матричных БИС в составе САПР сквооного проектирования ИЭТ и ВТ на основе сформулированных предложений и разработанных видов обеспечения.

Методы исследования. При выполнении работы были испопьоо-ваны: теория и методы машинного моделирования, теория множеств, методы математической статистики, элементы теории графов, основные положения теории вероятностей.

Научная новнона. Получены следующие научные результаты:

концепция построения интегрированного программно - аппаратного

комплекса многоуровневого моделирования, отличающегося сочетанием мини- и мижроЭВМ со специализированными ускорителями при моделировании комплекта биполярных матричных БИС нового поколения в составе цифровой системы;

технология аппаратных ускорителей моделирования и архитектуры основных элементов ускорителей, обеспечивающих их унификацию для решения оадач логического анализа, моделирования неисправностей, генерации и верификации тестов;

алгоритмические основы системы многоуровневого моделирования с использованием аппаратных ускорителей, увеличивающих производительности в несколько рае на программном уровне и на 3 - 4 порядка на аппаратном;

стратегия и методы проектирования тестопрнгодных уолов и блоков комплекта матричных биполярных БИС высокой сложности в составе цифровой системы, отличающейся оптнмивацией логической структуры для повышения эффективности тестирования;

алгоритмы генерации тестов с учетом вероятностных параметров тестируемости, позволяющих значительно сократить количество входных воодействий, повысить достоверность верификации при снижении вычислительных оатрат;

основные элементы лингвистического и информационного обеспечения системы многоуровневого моделирования, обеспечивающие единство и универсальность описания типовых элементов на раоличных уровнях процесса проектирования на базе многоуровневых библиотек и вооможность интеграции в систему других пакетов;

Практическая ценность. Рсоультаты диссертационной работы положены в основу соодания интегрированной системы многоуровневого моделирования семейств биполярных БИС на баое отечественных и оарубеж-ных мини- и микроЭВМ и специализированных процессоров логического моделирования "Электроника МС90" и "Электроника МС91". Программно - аппаратный комплекс поддерживается разработанными лингвистическими средствами и соответствующим информационным и программным обеспечением. Совдаиные программные и аппаратные средства (целевые подсистемы и система в целом) переданы и внедрены на ряде предприя-

з

тий Главного управления (электронной промышленности гг. Москвы, Во- ^ ронежа, Орла, Н.Новгорода, Уфы, Ульяновска, Челябинска. Программные пакеты логического моделирования переданы в ОФАП отрасли. Интегрированная система многоуровневого моделирования в полном объеме внедрена в ОКБ "Процессор" (г. Воронеж, в настоящее время АООТ "ОКБ ПРОЦЕССОР") в научно - исследовательском институте вяехтроннои техники: НПО "Электролита". Система проектировали! испольооаалась при разработке попуоакашшх семейств БИС на баоовых матричных кристаллах на предприятиях гг. Воронежа, Екатеринбурга, Ульяновска. ГЬдовой экономический еффект от внедрения системы и целевых подсистем оценивается в 421 млн р. (в ценах 1995 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались н обсуждались на научно-технических семинарах н конференциях: на семинаре "Передача и обработка данных в системах управления и ЭВМ" (февраль 1989 ); Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы соодания интеллектуальных САПР РЭА и СБИС" (Академия наук СССР, НИИ САПР АН Крымская обл. май 1989 г.); Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини- и микроЭВМ" (сентябрь 1989, г. Воронеж); научно-технической конференции конструкторского проектирования РЭА и ЭВА (1989, Леша); на IV симпозиуме "Эффективность, качество и надежность систем человек - техника" (г.Воронеж, 28 - 30 ноября 1990 ); межвузовской конференция "Экстремальные задачи и их приложения" (Н.Новгород, шодь 1992 ); на Региональной конференции "Автоматизация проектирования РЭА и ЭВА" (Пеноа, 12 - 13 октября 1992 ); на XXI международной конференции и школе молодых ученых и специалистов "САПР - 94. Новые информационные технологии в науке, образовании, медицине и бизнесе" (4 -13 мая 1994, Крым, Гурзуф); Всероссийском совещании семинаре "Математическое обеспечение высоких технологии в технике, образовании и медицине" (г.Воронеж, 3-5 ноября 1994 ); на XII международной школе и конференции CAD - 95. "NEW INFORMATION TECHNOLOGIES APPLICATION IN SCIENCE, EDUCATION, MEDICINE AND BUSINESS" (UKRAINE, CRIMEA, YALTA - GURZUFF. May 4 - 14 1995); на междуна-

родной научно-технической конференции "Методы, средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем" (г. Пеиоа, 1995 ); на отраслевых совещаниях и семинарах.

Диссертация в целом обсуждалась на межкафедралыюм семинаре Воронежского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа. Часть реоультатов отражено в научно - технических отчетах по НИОКР, проведенных в период 1980 : 1995 гг., где автор был главным конструктором или заместителем главного конструктора раоработкя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит го. введения, пята глав, заключения, списка литературы, состоящего ио 205 наименований, и приложения. Основной текст положен на 251 странице машинописного текста. Работа содержит 33 рисунка, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, проводится краткий аналио оадач, вооникающих при соодании системы многоуровневого моделирования, формулируется цель работы, а также представляются основные реоультаты, выносимые на оащиту.

В первой главе проводится апалио методов верификации цифровых объектов проектировали!, путей повышения нх лроиоводятеяьности н обсуждается структура программного обеспечения и технический состав СММ, ориентированных на решение оадач верификации семейств БИС. Одним ио методов предельного сокращения сроков проектирования является раора-ботка и производство пояуоакаоных БИС на баоовых матричных кристаллах (БМК) нового поколения с большой степенью интеграции. Выполнение работ по проектированию и верификация подобных иоделиа в сжатые сроки - задача на грани технических вооможностей существующих систем проектирования. Идет постоянный поиск и разработка новых методов к средств проектирования на баое новейших информационных технологий, обеспечивающих непрерывное совершенствование инструментальных средств, их производительности и способности выполнения безошибочных проектов.

При проектировании сложных изделий электронной и вычислительной техники широко нспатьоуготся методы математического моделировав

ния на различных уровнях абстракции и сложности представления объекта ^ (поведенческом, функциональном, логическом, вентнпьно - траноисторнон, схемотехническом), являющиеся единственным инструментом проверка качества проекта до изготовления обраоца. Моделирование БИС высокой раомерности и многокркстальных модулей на вх основе ограничивается двумя факторами:

недостаточным развитием математических и структурных моделей функциональных модулей широкого спектра, входящих в БИС, поведенческих я функциональных моделей самих БИС;

ограниченной производительностью ислольоуеиых средств автоматизации.

Анализ алгоритмов целевых процедур проектирования, средств организации и порядка их взаимодействия, опыт эксплуатации САПР показал, что сложившаяся практика вх использования не в полной мере отвечают требованиям минимизации вычислительных затрат всего процесса проектирования в целом. Снижение временных оатрат может быть достигнуто при проведении комплекса мероприятий, обеспечивающих повышение производительности проектных процедур сквозного процесса проектирования и верификации рассматриваемых наделин.

Для обеспечения решения поставленных задач предложена структура системы многоуровнето моделирования семейств матричных БИС в составе интегрированной САПР ЙЭТ и ВТ (рис-1).

Техническое обеспечение СММ предложено построить в виде сетевой структуры вычислительных комплексов, реапиоующих отдельные целевые задачи проектирования, на базе высокопроизводительных мини- и микроЭВМ типа DEC в IBM PC и совместимых с ними отечественных и варубежных ЭВМ и спецпроцессоров догического моделирования.

Во второй главе рассматривается система ускоренного логического моделирования. В связи с недостаточной проиоводительностью применение систем логического моделирования предыдущего поколения, построенных на базе ЭВМ среднего класса (1 мли.олермщи/с), ограничивается объектами сложностью до 10-20 тыс. элементов. Применение их для более сложных объемов окапывается малоэффективным. При использовании в таких системах высокопрошводительных ЭВМ и даже супер-ЭВМ аналогичная

в

Рис.1

ситуация ьоинижает для проектов (СБИС, блоков, устройств) сложностью 1 порядка 50+100 тыс.олеменгов. Поотому в состав системы многоуровневого моделирования предложено включить аппаратный ускоритель логического моделирования (УЛМ), что поиволяет увеличить скорость вычислений на три - четыре порядка и анализировать работу цифрового устройства практически в реальном масштабе времени.

Ускоритель логического моделирования представляет собой специали-онроваиную многопроцессорную систему, в основу архитектуры которой маложены принципы аппаратной реализации алгоритма моделирования и параллельные вычисления.

Для реализация УЛМ проведен аналив алгоритмов моделирования и архитектуры для аппаратной их реализации.

В качестве базового алгоритма моделирования предложен событийный двухпроходовый алгоритм. Преимущество данного алгоритма перед однопроходовым оаключается в том, что приемник сигнала может быть активизирован только один pao в каждом такте моделирования. Таким образом снимается проблема отмены события и достаточно просто выпод-

1

няются правила адекватности. Организации стека приемников, требующих вычисления, обеспечивает каждому приемнику однократное прохождение через конвейер, несмотря на то, что он активизируется двумя и более источниками. В однопроходном алгоритме, хотя и обеспечивается более вы- , сокая скорость моделирования, оначителыго усложняется соблюдение правил адекватности моделирования (обработка многократной активизации приемника, наличие возможности ложного планирования, множественные конфликты при обращении ио различных стадий конвейера к одним и тем же блокам памяти). '

Исходя ио условий получения максимальной скорости и выполнения правил адекватности моделирования, технологических возможностей реализации олсментной базы ускорителя выработано соглашение о оадержках, определен состав базовых элементов и архитектура аппаратных средств системы ускоренного моделирования.

В составе системы многоуровневого моделирования УЛМ представляет многопроцессорую систему, включающую процессор обмена (ПО), до 16 процессоров логического моделирования (ÜJIM), процессор моделирования

памяти и блок физической библиотеки, объединенных синхронным разделяемым каналом.

I! 11ЛМ на 4-ступенчатом коннейере реалиоов&н двухнрчходовый событийный алгоритм с 12 - вначной моделью логического сигнала и 16 баоо-«ьгх ояементов (примитивов) (4 входа/1 выход) я виде таблицы истинности. Каждая но ступеней конвейера нмеег два цикла (фаоы), которые иснольоу-ются для чтения и модификации ЗУ. Использование двух циклов позволяло уменьшить число адресуемых блоков памяти, повысить эффективность использования ОЗУ, а также реализовать основной объем логики процессора моделирования на матричных БИС. Необходимо отметить, что предложенная реанимация двухпроходо'вого алгоритма моделирования в отличие от однопроходового (ИНЭУМ, Москва) позволила повысить адекватность моделирования и с меньшими оатратами реализовать синхронный конвейер.

Примитивы памяти моделируются в процессоре моделирования памяти (ПМП). Примитив хранит содержимое одного рапряда памяти. Максимальный объем ггакягк, который может хранить один примитив, равен 32Кх1. ПЛМ и ПМП предстааляют собой чегырехстадннные двухфаоные синхронные конвейеры с функционально - ориентированной памятью, в которых операции на каждой ступени выполняются за один такт общей синхронизации. Передача данных с одной ступени на другую производится черео регистры в конце такта одновременно по всем ступеням.

Процессор обмена (ПО) выполняет функции: инициализации УЛМ; оагруоки схемы и входных воздействий; пуска моделирования; подачи входных воздействий в ИМ; счета тактов моделирования; приема результатов моделирования иа ИМ н их накопление в ЗУ" результата и передача блока результатов в ЭВМ; останова моделирования выполнения оаниси/чтения ЗУ и регистров ПО л ИМ по командам ¡Л1М.

Важным отличием системы ускоренного проектирования яаляется введение в систему специального' аппаратного блока фшшческих моделей, который реализован как электронный уоел на отдельной печатной плате и предназначен для организации обменов между каналом ЭВМ и микросхемами, расположенными на плате, которые рассматриваются как внешние объекты, омулиружмцие работу элементов, модели которых отсутствуют в системе проектирования.

Разработанные ускорители могут включать от 2-х до 16 процессе- ^ ров моделирования в зависимости от требуемой производительности системы. Созданные ускорители логического моделирования функционируют под управлением мини- или мнкроЭВМ типа ЭВМ фирмы DEC, IBM PC совместимых с if и ми зарубежных и отечественных аналогов. Данные системы ускоренного моделирования могут использоваться как в составе интегрированных САПР, так и автономных системах сквооного проектирования.

В третьей главе рассматриваются вопросы обоснования и построения лингвистического и информационного обеспечения системы многоуровневого моделирования, формирующего исходную проектную информацию, которая может быть представлена иа нескольких уровнях: системном, функциональном, функционально-логическом, логическом, схемотехническом. Сформулированы требования к лингвистическому (ЛО) и информационному (ИО) обеспечению, единству и целостности данных сквооного цикла проектирования и возможности многоуровневого адекватного моделирования цифровых устройств в различных логических и технаяогпчеехпх баои-сах.

/ Разрабатываемые лингвистические средства подсистемы должны поддерживать стратегию безошибочного проектирования оа счет повторного использования отработанных проектных решений, методологии создания тестопригодных проектных решений, введения элементов улучшения тестируемости, использование автоиитерактивных проектных процедур, информационной поддержки стратегии сквозного проектирования. Обоснована структура построения лингвистических средств. Предложено включить в состав лингвистического обеспечения следующие языки представления проектной информации: описания поведения (А ДОС), модульного представления МОС, графико-евмвольного представления (ВИМОД), а также задания на проектирование (ЯЗП).

Лоык описания алгоритмов функционирования АЛОС основывается на процедурном способе реализации алгоритмов проектирования и предусматривает введение алгоритмических средств контроля процедур и их инициализации; передачи результатов работы одной процедуры в качестве исходных данных другой. В языке АЛОС реалшзован широкий диапазон

типов данных. Для описания аппаратуры введены такие понятия, как модель, входы, выходы, двунаправленные выводы, временные иадержки модели, стробирующме сигналы.

Алгоритм функционирования каждой модели описывается при помощи процессов. Каждая модель содержит неограниченное число параллельно действующих процессов, каждый на которых мажет быть в состояниях: активном, ожидания и раорегаенноы. Для алгоритмического описания ЛЛОС располагает проблемио-орентированными прикладными пакетами ( регистровый пажет, пакет генерации случайных чисел), открыт для расширения.

Яоык поддерживает вооможность структуризации алгоритма функционирования объекта с использованием условных, циклических процедур, средств распараллеливания процессов, подпроцессов и механизмов управления ими.

Проведена проблемная ориентация ломка описания особенностей функционирования цифровых устройств: элементы, входящие в устройство, могут быть представлены на равных уровнях (в виде "черных ящиков", на вентильном или другом уровне); структура устройства представляется как набор элементов, объединяемых между собой определенным образом яи-| ниями свяои. Для реализации процессов, регистровых и циклических операций проведено расширение типов данных. Введен новый тнп - регистр, представляющий битовую конструкцию, булевый массив с восходящей или нисходящей нумерацией битов. Введены специальные операторы типа ква-лнфлкатор для отражения специфики поведения, которые испольиуются для определения состояния линии: активниацин процессов и иомененяа состояния линии.

РанрабО'тлнный гоык функционально-логического представления данных (МОС) ориентирован на описание элементного состава цифровых схем, способа соединения опементов, идентификации линий, входных и выходных контактов, формирует описание в виде иеоависимого модуля.

В отличие от многих языков подобного типа яоык МОС пооволяет представлять объекты проектирован^ в баоисах ВИС, ТЭЗов и аппаратного ускорителя, причем важным является введение средств описания двунаправленных линий и траноисторов , программирования ПЛМ (нро-

граммируемых логических матриц), монтажных соединений, шин, реоисто- ^ ров, емкостей, описании регулярных конструкций, а также использование силовых характеристик сигналов. Яоык обеспечивает универсальность средств с точки прения их применения для описания данных более широкого класса БИС, сингеонраванных, например, с поведенческого уровня. Проблемная ориентация яоыка МОС обеспечивает возможность описания комплекта полуоажаоных БИС, интегрированных в составе "макромодуля", с использованием межкорпусных соединителей оаданного типа.

Для соодания библиотек типовых модулей и формирования исходной и локальной баяы данных проекта раоработан яоык БИМОД. Соодана процедура иерархического объединения модулей, что пооволяет формировать проблемно-ориентированные информационные модули описания электрических, логических, функционально-логических, поведенческих моделей и других аспектов представления объекта с использованием текстово-графн-ческих средств входного яоыка БИМОД.

В основу реализации явыка оадалия на проектирование (ЯЗП) оало-жены следующие принципы : включение в иообравительные средства яоыка как символьных, так и графических элементов описания, испольоованис свернутых форм представления объемной информации, определения рациональных процедур манипулирования данными, реакций и использование в влеменгах яоыка оадания на проектирование макросов.

Информационное обеспечение (ИО) СММ ориентировано на нисходящую методологию проектирования, органиоовано в виде иерархически связанных баа данных, построенных на основе многоуровневых библиотек.

Раоработаны процедуры, обеспечивающие окономичность и простоту формирования и ведения многуровневых библиотек и олементов С В Т; представленных в рашшчных технологических баоисах. Предложены алгоритмы сортировки, формирования, верификации и поиска исходной информации, обеспечивающие снижение вычислительных оатрат до уровня где

N - число линия в схеме. Предложено и реалиоовано два типа внутренних структур - списочная с указателями и ассоциативная юльцевая. Б бане данных каждая структурная единица представляется совокупностью информационных единиц - рабочих списков - кортежей: основных и допол-

нательных. Основные кортежи обязательны для всех типов компонентов, поскольку в них указаны: типы, задержки, коммутации, последователи и идентификаторы.

При подготовке исходной информации на баое языка БИМОД использован способ размещения олеыентов в памяти введением дополнительной информации, аналогичной адресу метки, указателя свяои или ссылка. Рао-работана модифицированная кольцевая структура, как основа построения графической базы системы. Использование модификации ассоциативной кольцевой структуры данных дает преимущества по основному критерию , эффективности времени выборки данных, хотя я требует при этом больших затрат памяти. "

В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки и постро-• еиия алгоритмических средств интегрированной СММ биполярных матричных ВИС, создание которых- проводилось с целью обеспечения решения целевых задач и процедур на единой алгоритмической основе и повышения их производительности. Автором предложен ряд методов и эвристических решений, инвариантных к иоменению технологии изготовления БИС и СБИС, обеспечивающих вооможность построения различных стратегий решения задач многоуровневого сквооного проектирования и реализации широкого класса цифровых систем по биполярной технологии матричных ВИС. Разработан алгоритм автоматизированного построения функционально-логической модели объекта проектирования, базирующийся на поотанном формировании базовых моделей объекта с последующей композицией интегрированной модели проекта в заданном логическом и технологическом базисе.

Основой программных срецствинтргплро«а;:::са системы логического проектирования являются алгоритмы поведенческого (ИВ), логико-временного анализа (ЛБА) и моделирования неисправностей (МИ), генерации тестов и их верификации. Проведенный анализ алгоритмов моделирования позволил принять оа основу событийный алгоритм моделирования. Выполнена модификация событийного алгоритма моделирования для решения специфических задач верификации неисправностей и поведения ЦС. Расширены понятия события, управления процессом, реализации временных соотношений, рациональной реалиоации вычислительных процедур в рам" 13

хах поведенческого и логического моделирования, моделирования исиспра-41 вностей.

Реализация алгоритма на поведенческом уровне связана с необходимостью рассмотрения функционирования объекта проектирования в целом, поскольку оценить правильность его функциональной реализации на логическом уровне достаточно трудно ио-оа большой размерности проекта. Отличительной особенностью предложенного способа реализации ал-• горитма является разработка методики учета временных характеристик моделей и представления потоков данных. Активизация процессов выполняется по контрольному списку и квалифякатору. Отличие данной модификации от классического варианта событийного алгоритма в том, что планируемой активностью может бить не только изменение состояния па линии, но и выполнение процесса, входящего в описание для одного ия компонентов проекта. Активизация процесса происходит не только при изменении состояния на выводе, но и в такты времени, определенные синхроимпульсами или периодом.

Предложен модифицированный совмещенный алгоритм (МН). Логический анализ выполняется с использованием механизма событийного ин-терпретативного алгоритма с оптимизацией вычислительных процедур. В режиме МН проводится двухлроходовое моделирование всех неисправностей. Структурная схема алгоритма приведена на рисунке 2 .

В модифицированном алгоритме предусмотрено: введение в структуру схемы проекта в точках ветвления связей однонаправленных элементов разветвителей -PC- ; снижение вычислительных затрат и памяти оа счет разделения информационного блока на статический (CONST) и динамический (VAR.P); повышение адекватности оа счет исключения повторного обращения к активным элементам.

Алгоритм включает занесение (1-й проход ) сигнала на вход последователей, построение списков различий и совпадений, активизацию списков и собственно моделирование (2-й проход ).

В момент времени Т0 схема активизируется тестовой последовательностью

и {X, i Fi(x?)=l},

М

Гкс. 2

IS

где шаг подачи вектора выбирается шз соотношения

Ai > ¿mar,

где

"max = М AX(D{dud2,...,di}), а аГ,- задержка »' - го элемента.

Ио очереди будущих событий .( ОБС ) считывается активное событие у,-. Строятся списки различий для анализируемой линии. Значение сигнала на линии i сравнивается с у, на соответствующих линиях источника неисправностей SFi и распространителя неисправностей Rh\ и составляются множества сигналов раолнчня Z(A'k), по значениям у,- и раоностной функции /"(X). Здесь Л\ - множество неисправностей.

Проверяется эквивалентность елементов множества IIF' между распространителями и самим элементом G„. Если RF1 носитель отличия Z с подмножеством неисправностей В, маркером планирования TRFg и выполняются условия

Тш-В) <т, и RFi~G%, где Тд - маркер планирования исправного елемента, то распространитель неснравностей аннулируется (уничтожается). Если же

trto, < TarBi и RFj ~ RFit то множества неисправностей 1?; и Bj объединяются при одном ио RF\ то есть

где Bfi - множество объединенных неисправностей.

Вк = {h\h € Bi и h е Rj).

Когда активными являются неисправные элементы либо распространители, то составляются списки совпадений оначений сигналов на линиях активных неисправных элементов с остальными SF и RF.

Сигнал активного элемента <7„ по линии связи поступает на вход последователя Oh и заносится на входы всех соответствующих ему SFk и RFk. Па линии устанавливается значение сигнала у,, если на ней отсутствует постоянный сигнал ошибки = 0, или si, в противном случае на линии устанавливается значение сигнала ошибки.

Активизируются списки отличий Я(Л\). Активизация списков отличий - это процедура формирования распространителей реакций и соответствующих им множеств неисправностей, санирующаяся на операции - пересечения списков отличий на линпя - предшественнике » и множеств неисправностей на линии - последователе к.

Для снимав отличия Zi(Á'k) проводится операция пересечения с элементами SFk а списками неисправностей при RFk последователя и генерация соответствующих распространителей неисправностей.

Если для множества Zi(A'k), носителя отличия Z¡ и cnncsa неисправностей А\, выполняется

то генерируется RF¿, копированием модели исходного исправного олсмента с (занесением на его вход исправного значения сигнала, где b - номер неисправности Gk элемента на линии к.

Операция пересечения сцисков отличия предшественника - линии i проводится со всеми Вк при распространителях RFk. Если

C?k=AÍf)RFk,

где

С& = {с|ееВ/ и ее 4>.

то для стой части множества создается повый RFk копированием распространителя, со списком которого проводилась операция пересечения, и при" своением линии неисправного значения сигиала.

Множество неисправностей, оставшееся от пересечения,

Ск = Л(к \ С% где Ск =Чс|с € А ¡к и с то

остастс* при распространителе, для которого выполнялась операция пересечения, с исправным значением сигиала на линии. Здесь

Aik = AÍf\Bk.

Если все RFk при линии последователя закончились, а списки при сигналах отличия еще не исчерпаны, то для оставшихся списков ил модели исправного элемента генерируются дополнительные распространители RFk с соответствующим неисправным оначенисы сигнала на линии.

Выполняете» второй проход моделирование - вычисление на выходах элементов сигналов в соответствии с функциями /,(х), реалшуемых элементами и оаполненис ОБ С.

Анализ реоультатов реализации алгоритма покапывает, что:

1. Но сравнению с параллельным и последовательным алгоритмами моделирования неисправностей ощутимый временной выигрыш получается при обработке схем раомерлостью более 1000 вентилей;

2. Алгоритм практически не налагает ограничений на типы моделей элементов.

В данный алгоритм введены процедуры, пооаоияющие осуществлять раолнчные режимы его применения в ^зависимости от стратегии решения «задачи (реализация параллельного, статистического и параллельно - статистического режима моделирования неисправностей).

Предложен и раоработ&н алгоритм ускоренного моделирования неисправностей. Основная идея алгоритма оаключается в определении параметров наблюдаемости линий схемы по реоультатам исправного моделирования аналюзируемого тест-вектора и диагностирования выявленных неисправностей по рассчитанным параметрам. При достаточной высокой точности получаемых оценок полноты теста (95 %) предлагаемый алгоритм обеспечивает более чем десятикратное ускорение моделирования неисправностей ( в сравнении с конкурентным алгоритмом) с диагностированием всех выявляемых неисправностей на каждом шаге подачи теста.

Предложен и раоработал алгоритм автоматизированного построения функционально - логической модели объекта проектирования, базирующийся на поэтапном формировании баоовых моделей объекта с последующей комнооицией илтегрированной модели проекта в (заданном логическом или технологическом Оазисе. Алгоритм построения модели проекта методом локальной трансформации включает 3 этапа: формирование библиотеки моделей баоовых элементов проекта; построение логической модели проекта; соодание технологической библиотеки и модели проекта.

Степень оптимальности модели оценивается величиной стоимостной функции - критерия качества минимизации покрытия логической функции

*-(Х) =*'(*!,*2.....V К<0.

«ек,(/)

где V - логическая сумма, с - 1-лершниа (жуб размерности 0); Vt(/) множество 1-вершин я определяется выражением

т

где 5(c) — стоимостная функция, .*(#) - стоимостная функция минтсрма ft, а <?, I, если Pi е С, иначе у,- = 0 при ограничениях

¿Amin < ¿к <

где (d/cmin - djcmax) ' Допустимый диапазон изменений значений задержек олемента, в пределах которого соблюдается условие адекватности.

Построение модели проекта осуществляется «заменой структурных единиц библиотечными моделями соответствующих типов н их композициями при соблюдении следующих соотношений Ка < Kj„n и Kt < К, где К0 - число выходных контактов, подключенных к входному контакту j

- го олемента; А";об - кооффициент объединения по входу j -го олемента; К/

- число входных контактов, подсоединенных ж выходу t -го олемента; Kipm

- кооффициент разветвления по выходу »' - го элемента и выполнении дополнительной проверки на сохранение временных соотношений на линиях связи, то есть

гДе ¿UK и dkth. - задержки синхронизации на I - той и к - той линиях синхронизации соответственно.

Этап построения технологической модели - замена логических структурных единиц логической модели технологическими. Адекватность модели определяется проверкой соотношения на линиях смяв

Цтвг(М»тог) - ^ттО'от.») < A V,

где VimiI(VomM) и Цгчгг.СИчич) ~ максимальное и минимальное напряжения соответственно по логической единице и нулю; AV - допустимое падение напряжения на линии связи.

Разработан и предложен алгоритм построения функционально-логической модели для проведения логической верификации на ускорителе логического моделирования в условиях ограничения логического базиса. Проведен анализ числа, элементов модели по результатам декомпозиции ФЛ

- модели. Покапано, что в среднем диапазон увеличения числа элементов лежит в пределах 20 -30%.

Для достижения максимальной производительности целевых подсистем проектирования , входящих в состав системы проектирования, и реалиоа-ции режима параллельных вычислений предложены две разновидности алгоритма фрагментирования, отличительной чертой которых является минимизация связей между фрагментами с исключением обратных связей между ними, а также выделение фрагментов с примерно равной активностью, что в оначительной степени определяет эффективность работы многопроцессорных ускорителей логического моделирования.

В условиях разработки систем большой функциональной сложности и размерности построение модели объекта проектирования с высокими характеристиками тестируемости - задача первостепенной важности. В рамках данной работы предложен и реализован подход к анализу проекта ЦС на тестопрнгодность нащеплем специализированного программного блока расчета параметров тестируемости (управляемости, наблюдаемости, тест-паблюдаемостн). Разработан итерационный алгоритм расчета этвсх параметров. В каждой итерация - от первичных входов к первичным выходам и последовательным просмотром от выходов к входам определяются все возможные минимальные значения параметров. Параметры тест - наблюдаемости вычисляются по найденным значениям параметров комбинационной управляемости с учетом предсказуемости (дня послсдователькостных олементов) состояния компонента схемы. Введены процедуры расчета параметров тестируемости на базе вероятностных оценок. Раяработана методология оценки полноты теста с учетом реоультата анализа схем на тестируемость, предложены методы повышения тестопригодностииокспросс

- тестовый анализ.

Разработана методига генерации тестовых последовательностей, в которой предусмотрено объединение методов случайной генерации с регулярными , "ручными" методами и с направленным синтезом тестов. Предложен алгоритм направленного структурного тестирования на функциональном уровне описания аналиоируемой схемы (СФ - алгоритм).

Создание СФ - алгоритма поиска тест-вектора было сопряжено с решением трех основных проблем: - построения активизированного пути в

последовательпостных схемах; введения функциональных примитивов (триггер,регистр, счстчиж, мультиплексор и т.д.); повышения эффективности алгоритма за счет сокращения числа переборов в подобласти некорректных решения и сокращения времени между воовратами.

Разработанный СФ - алгоритм, как некоторое сочетание оврисгиче-ских и детерминированных процедур, позволяет обрабатывать функциональные примитивы с сохранением оффективности механизма воовратов. Для сокращения времени синтеза тестов (уменьшения количества воовратов) п расширения класса тестируемых схем в базовый алгоритм введен ряд существенных дополнений и изменении: введены элементы с состоянием высокого импеданса и влементы монтажных соединений, позволяющие тестировать схемы, имеющие шинную организацию; расширен алфавит логических состояний; введены функциональные влементы памяти (триггеры) , значительно ускоряющие процесс обработки итерационной модели и повышающие качество синтезируемых тестов.

Анализ и моделирование состояний на линиях схемы проводится в семизначной логике: О, 1, Z , D, D, X/[Q, 1, D, D},U, где 0 - оначение логического нуля; 1 - оначение логической единицы; Z - состояние высокого импеданса; D - неисправный оффект (1 - исправный, 0 - неисправный), D- неисправный оффект (0 - исправный, 1 - неисправный); Х/\0,1, D, D] -неопределенное значение, доопределяемое на множестве укаоанных значений или на каком-то его подмножестве; U - непредсказуемое оначение бео возможности доопределения.

Создание алгоритма, ориентированного на структурное тестирование как комбинационных, так н пссдедоцателъностлых схем вентильного и/или функционального уровня - едк;: v," ¡наго» ь направлении решения проблемы тестирования схем.

Построение активиоированного пути, в отличие от D - алгоритма, идет одновременно с обеспечением всех условий активизации и выяснением всех противоречивых ситуаций. На каждом шаге алгоритма проверяется наличие недоонределенных линий и, если такие линии существуют, то построение активиоированного пути откладывается до полного обеспечения всех недоопределенных линий схемы. В случае последовательиостных схем процедура доопределения может продолжаться и по всем предыдущим

итерациям логической схемы. Выяснение всех условий построения ахтини-миронашкш последовательности на каждом шаге распространения волны активности есть, но сути, ранняя диагностика противоречивых ситуаций. Прерывание процесса поиска Til на любом шаге позволяет получить активизирующую и транслирующую последовательности,

Раиработанная алгоритмическая основа интегрированной СММ , выбор интерактивных процедур управления процессом проектирования обеспечивают гибкую стратегию организации поиска решения, единый методологический подход я решению оадач, неоависимость структуры алгоритма от режима его выполнения (интерактивный или автоматический), оптимальное сочетание творческого потенциала, проектировщика и воиможно-сти вычислительных средств, максимальную унификацию средств.

II .ПЯТОЙ главе проведен анализ оффективности программно-методи-чсского комплекса интегрированной СММ семейства матричных БИС на основе предложенной концепции, принципов и методов, разработанного лингвистического, информационного, алгоритмического и программного обеспечения. Важнейшей особенностью программно-методического комплекса (ИМК) системы многоуровневого моделирования является его ориентация на логику функционирования всего семейства СБИС, а не только на традиционное проектирование отдельных МАБИС. Такой подход предопределил специфические черты алгоритмов и программ данного 11МК. Программный комплекс поддерживает проектирование семейства МАБИС нового поколения, выполненного на различных конструктивно-технологических тинах бзоовых матричных кристаллов. Структурная схема интегрированного программного комплекса ускоренного проектирования ИЭТ приведена lia рис.3. |

Программное обеспечение интегрированной системы моделирования ' оргаииоовано в виде целевых подсистем: поведенческого (ПРИАМ), функционально-логического (ПРАЦИС-ТМ, ПРАЦИС-100), ускоренного (УЛМ-ПУМА) моделирования, верификации неисправностей (УВЕРТ), направлен-. ной генерации тестов (ТЕСТ), пакета оценки характеристик тестонри-годностп цифровых схем (ЭКТА). Функционирование и взаимодействие целевых прикладных пакетов поддерживается единой баиой данных, организованной в виде многоуровневых библиотек и локальных баи сняои.

п

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ввода И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

л

ИГРА

ПРИАМ

ПРАЦИС-ТМ

") I

_3

внвлиотеки

МОНИТОР ©

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

III СИСТЕМЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТРЮМ

ТРАП

н» кио

Рис. 3

Ядром системы является пакет программ логического моделирования "НРАДИС-ТМ", который совместно'с программным пакетом ПУМА и аппаратным ускорителем логического моделирования обеспечивает смешанное моделирование цифровых схем с испольоованием функциональных и вентильно-траноисторных моделей с производительностью до 2.5 млн. событий в секунду.

С ядром системы взаимодействует пакет программ поведенческого моделирования - ПРИАМ. Сложность проектируемой схемы для подсистемы ПРИАМ : элементов - 3000, линий - 5000, выводов элемента - 200. Данные характеристики вполне достаточны для моделирования проектов вычислительных систем, т.к. под "элементом" одесь понимается устройство любой сложности, например, канал свяои, функциональный блок и т.п.

Пакет "ПРАЦИС-100" - дальнейшее развитие пакета "ПРАЦИС-ТМ", поддерживает повышение эффективности процедуры моделирования в условиях постоянного роста раоыерностп цифровых объектов.

Дня моделирования схем с неисправностями реализован статистический алгоритм моделирования неисправностей (программа УВЕРТ). Программный модуль и его испольоование обеспечило получение оценок полноты теста для комбинационных схем с ошибкой ±5 %, при 10-20-кратном ускорении процесса моделирования.

Пакет "ПУМА" выполняет функции пре- и постпроцессоров по отношению к специализированному устройству логического моделирования. Пакет "ПУМА" совместим с пакетами "ПРАЦИС-ТМ" и ПРАЦИС-100 как на уровне внешних спецификаций яоыка описания схемы, так и на уровне . б а» данных.

Подсистема ТЕСТ реалиоует процесс направленной генерации тестовых последовательностей комбинационных и последовательностных синхронных схем. Подсистема работает на вентильно-триггернои уровне и имеет некоторое ограничение на размерность анализируемой схемы, однако это не носит принципиального характера, а определяется используемой методикой и текущим состоянием разработки подсистемы.

Раоработана методика повышения тестируемости (пакет ЭКТА) объекта проектирования аа счет получения оптимальных характеристик

Таблица

ПАРАМЕТРЫ • СХЕМЫ

Имя схемы АЬи Т411 ТЕМР21 Т24 ЕСАТ МТ2

N п/н 1 2 '3 1 5 6 .

'йт схемы Комбин. Послед. Синхр. Послед. Синхр. Послед. Синхр. Комбин. Послед. Синхр.

Раомер. 135 891 384 732 44 2737

Число несир. 287 1608 1023 1367 77 6231

Число точек разрыва - 78 465 88 640

ЧИСЛО ПСИ (и/с) 199/43 237/87 49/120 164/166 28/10 319/308

Время синтеоа теста ч:м:с 0:0:3 3:33:8 0:43:42 3:22:2 0:0:2 15:20:45

% непепр. на которые построен тест 96.85 82.23 80.33 55.68 89.47 76.71

Полнота покрытия теста(%) 97.5 . 91.27 93.80 40.57 91.58 89.90

Макс.число воовратов 10 20 20 40 40 25

управляемости и наблюдаемости и введения режима предустановок для оле-ментов с памятью.

J р.чфичоскаи поддержка (.iicrcwu осуществляется программным моду-лом интерактивной графики ИГРА. Модуль ИГРА используется на этапах подготовки исходной информации и представления результатов проектирования на всех уровнях иерархии и прн документировании проекта. Модуль ИГРА ориентирован на совместное использование с программными пакетами ПРИАМ, ТРЮМ. ТРАП. СИЛТ-Ш1ГРЕД, ПРАЦИС-ТМ.

Управление СММ осуществляется в рамках графического диалогового монитора, построенного как совокупность управляющих программ, организованных по модульному принципу и решающих задачу управления вычислительным процессом и взаимодействием целевых программных пакетов.

Система многоуровневого моделирования функционирует в среде ОС МНС, VAX/VMS, МОС-32, ЮНИКС.

Система логического проектирования в целом внедрена в "ОКБ Процессор". Целевые подсистемы логического проектирования внедрены на ряде предприятий отрасли.

В таблице приведены результаты функционирования отдельных целевых систем нроектироваиш и дана оценка их (эффективности.

Основные результаты диссертации

Основной результат диссертационной работы можно сформулировать следующим обраоом - с единых методологических позиций и при комплексном подходе рассмотрена проблема разработки и создания системы многоуровневого моделирования семейств матричных БИС высокой сложности, заложены научные основы ее решения на базе предложенной концепции построения системы проектирования. В совокупности , разработанные теоретические положения и практические методы и сред- I г.тва позволили решить крупную научно-техническую проблему в области автоматизации систем проектирования - повышение производительности многоуровневых систем моделирования. Для итого решены следующие задачи:

1. В отечественной практике разработки матричных биполярных БИС реализована концепция моделирования микропроцессорной системы в виде семейства микросхем высокой степени интеграции.

■¿ч

1 i I

2. Сформулированы ] реоования к сисгомн многоуровневого моделирования, ориентированной на проектирование цифровых систем, реаличуе-мых на базе семейств матричных БИС истою поколения, обеспечивающих непрерывность, высокую пропоподителыюсть и качество ведения проекта в условиях жестких временных и конструктивных ограничений.

3. Определена структура СММ, как распределенная и локальной сети « истома программных подсистем: поведенческого, логического и верификации генерации тестов и УЛМ, функционирующих при поддержке интегрированной иерархической базы данных; инвариантной относительно применяемых ЭВМ и обеспечивающей гибкую и эффективную информационную согласованность процессов проектирования.

•1. Раоработапы лингвистические средства системы, включающие входной яп 1,1 к подсистемы поведенческого моделирования А Л ОС, язык логического проектирования МОС, подсистемы графической поддержки БИМОД п яоык оадалия на проектирование ЯЗП, обеспечивающие единый принцип описания проектов в рамках яерархичесхой системы сквозного проектирования семейств матричных БИС.

5. Создано информационное обеспечение СММ, поддерживающее функционирование и взаимодействие целевых проектных процедур в режиме сквозного проектирования оа счет использования интегрированной и локальных (процедурных) бао данных, рациональной организации рабочих массивов, диалогового режима "проектировщик - САПР", эффективного перехода от одного отаиа к другому, методом локальной трансформации данных, использования ранее разработанных проектов и многоуровневых библиотек.

6. Разработана п включена в состав Смм система иерархического моделирования, отличающаяся высокой скоростью верификации, что позволяет в условиях реализации проекта по технологии матричных ВИС нового поколения решай, задачу верификации функционального поведения семейства БИС, как единого объекта.

7. Разработаны алгоритмы фрагментирования, оптимальной загрузки многопроцессорной системы УЛМ, автоматизированного изменения структуры схемы из произвольного логического баоиса н заданный с оптимизацией структуры, отличительной чертой которых является непрерывность

и автоматизированный переход и;> произвольного úauuca в заданный с учетом особенностей его реализации.

S. Разработаны и реализованы алгоритмы основных целевых процедур системы логического моделирования, в основу которых положены модифицированные соОытийный и совмещенный (конкурентный) алгоритмы. Реализованы вероятностный н статистический алгоритмы моделирования неисправностей, которые обеспечили в сродном 10 - 15 - кратное превосходство (по скорости) последних над известными алгоритмами при 4 - 5 % погрешности обнаружения ошибок.

9. Выработана и внедрена стратегия проектирования тестонриго-дных уилов и блоков для изделий электронной техники данного класса и семейства в целом.

10. Предложен и реализован алгоритм направленной генерации тестовых последовательностей. Выработана методика построения тест - векторов на основе совместного использования методов "случайного" поиска, регулярной и направленной генерации и учета характеристических параметров управляемости и наблюдаемости схемы, что позволило уволичигъ степень тестового покрытия (80 95 %) и на порядок сократит!, длину теста.

11. Произведена программная реализация интегрированной системы иерархического проектирования. Построена адаптивная система многоуровневого моделирования семейства биполярных БИС матричного тина, нового поколения. Созданный программно-аппаратный комплекс и отдельные проблемно-ориентированные подсистемы внедрены в ОКБ при заводе "Процессор" (г.Воронеж) и ряде предприятий России . Программный комплекс Працис-ТМ внедрен в учебный процесс на. кафедре САПР Воронежского государственного технического университета. Годовой вкономиче ский эффект от внедрения составил -121 млн р. в год в пенях 1995 г.

Выделены направления и предложения по дальнейшему развитию системы многоуровнего моделировании с учетом прогнозируемого роста слож поста изделий олекгрошюй техники.

Основное содержание диссертации положено в следующих работах: 1. Интерактивная система логического моделирования цифровых схем / А.М. Власов, D.E. Межов, Ю.А. Чевычеши и др.// Автометрия. Повоза

сибирск: Наука, СО. Ш6. N 5. 0.13-16.

Система ускоренного проектирования НИС. / К).Л. Левов, В.Е; Межов, 10.Л. Чевычелов, и пр.// Электронная промышленность. М.,Ц)!)4. N 4,5. С. 96-98. -

3. Принципы и алгоритмы направленной генерации тестов в системе "Працис-ТМ" / И.Е. Лобов, В.13. Межоп, Ю.Л. Чевычелов и др. // Автометрия. Новосибирск: Наука. СО. 1989. N 4. С.3-9.

1. Подсистема "ТЕСТ" автоматизированной направленной генерации тестовых последовательностей на цифровые синхронные схемы на базе "Кулон-4" / И.Е. Лобов, В.Е. Межов, Ю.А. Чевычелов и др.// Разработка и оптимизация САПР и Г All иоделий электронной техники на бале высокопроипводителышх мини- и микроЭВМ: Тео. докл. Всесоюзного совещания-семкнара молодых ученых и специалистов. Воронеж: ВПИ, 1989. С. 38-40.

5. Лобов И.Е., Межов В.Е., Чевычелов Ю.А. Логическое моделирование и генерация тестов цифровых схем в системе "Кулон" // Актуальные проблемы создания интеллектуальных САПР РЭА и СБИС: Тез. докл. школы-семинара молодых ученых и специалистов. Воронеж: ВПИ, 1989. С. 161-168.

G. Лобов И.Е., Межов 13.В., Чевычелов Ю.А. Подготовка исходных данных в подсистеме функционально-логического моделирования // Автометрия. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1990. N 1. С.53-57.

Т. Лобов И.Е., Межов В.Е., Чевычелов Ю.А. Система комплексной автоматизации проектирования изделий олектронной техники на основе 32-разрядной суперминн- и микроЭВМ // Актуальные проблемы создания интеллектуальных САПР РЭА и СБИС : Тот. докл. школы-ссмилара молодых ученых в специалистов. - Воронеж: ВПИ, 1989. С. 61-66.

8. Математическое обеспечение программно аппаратного комплекса логического моделирования/И.Е. Лобов,В.Е. Межов, Ю.А. Чевычелов и др.// Передача и обработка данных в системах управления и ЭВМ : Тео. докл. научно-тех. семинара. -Киев: КПП, 1989. С.97.

9. Программное обеспечение системы ускоренного проектирования ВИСЛ/ B.C. Лопатин, В.Е. Межов, Ю.А. Чевычелов и др. // Электронная промышленность. М. 1994. N 4-5. С.99-100.

10. Унифицированные программно - технические комплексы для САПР ИЭТ и ВТ /B.C. Лопатин, В.Е. Межов, Ю.А. Чевычелов и др. // Электронная промышленность. М. 1994. N 4-5. С.90 - 96.

i

11. Развитие системы ускоренного проектирования БИС. /B.C. Лопатин,

B.Е. Межов, Ю.А. Чевычелов и др. // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуо. сб. науч. тр. Воронеж.: ВГТУ, 1994. С.156 -160.

12. Межов В.Е., Бочаров O.G., Чевычелов Ю.А. Алгоритм автоматизированного преобразования логического базиса // XXII International School And Conference On Computer Aided CAD-95. New Information Technogies Aplicación In Science,Education, Medicine And Bvissiaess. Part 2. Proceedings. UKRAINE.CRITME YALTA-GURZUFF. Май 4-14. 1995.

C.273-274.

13. Межов B.E., Бочаров O.C., Чевычелов Ю.А. Использование физической библиотеки в унифицированных САПР // XXII International School And Conference On Computer. Aided CAD-95.New Information CAD-95.New Information Technogies Aplication In Science,Education, Medicine And Bussincss. Part 2. Proceedings. UKRAINE.CRITME YALTA-GURZUFF. Май 4-14.1995. C.272.

14. Интерактивные графические средства поддержки проектирования МЭА: Учебное пособие / В.Е. Межов, В.М. Питолин, Ю.А. Чевычелов и др. Воронеж: ВГТУ. 1994. 105с.

15. Межов В.Е., Чевычелов Ю.А., Бочаров О.С. Построение функцио нально - логической модели объекта проектирования // Оптимизация и моделирование в автоматииированных системах: Межвуо. сб. науч. тр. Воронеж. ВГТУ. 1995. С.63-67.

16. Межов В.Е., Чевычелов Ю.А., Бочаров О.С. Яоык задания на проектирование// Методы и средства оценки и повышения надежности приза

ñopo», устройств и систем: leu. докл. междунар. конференции: Псина: ИГРУ, ) 9ílí>. С.82-83.

17. Программный комплекс ск вой кого проектирования БИС на основе матричных кристаллов для IHM PC / В.Е. Межов, ¡O.A. Чсвычелсв, О.С. Бочаров и др.// XXI Международная конференция и школа молодых ученых и специалистов. САПР-94: Новые информационные технологии п науке, образовании, медицине и бионесе: 'Геи. докл. Крым. 1Ур-оуф.1994. С.27-2Я.

18. Межов В.Е., Чевычелов Ю.А., Марцннковский Б.В. ПРАЦИС-ТМ //Пакет программ. Аннотированный каталог алгоритмов и программ. Направление САПР ИМС. ЦИФ.САПР ИЗТ. Выи. 13. Орг. п/я 4515. 1989. СД.

19. Межов Б.Ё., Чевычелов Ю.А., Караваева H.H. Мафическое представление данных в системе функционально-логического проектирования// Математическое п информационное обеспечение САПР РЭА и электромеханических устройств: Сб. науч. тр. Калинин: КГ У, 1988. С.50-54.

20. Межов В.Е., Чевычелов Ю.А., Кононыхина H.A. Подсистема "Игра" - графическая поддержка человеко-машинной системы проектирования аппаратуры // Эффективность, качество, надежность систем "человек-техника"; IX симпооиум: Тео. докл.Воронеж: ВПИ, 1990. С.108-110.

21. ПРЛЦ11С-ТМ 175«/К 008 // Каталог программных средств. 4.2 САПР ИМС. ОФАII МЭИ. 1990. СИ7.

22. Микропроцессорные вычислительные средства для построения САПР и информационных управляющих структур: Монография/ В.Е. Межов, Ю.А. Чевычелов, Б.С. Сергее« и др. Воронеж: ЛГТУ, 1996. 256 г..

23. Рындпн A.A., Чевычелов Ю.А., Межов A.B. Раовитие графических ' средств системы ускоренного проектирования БИС // Высокие технологии в технике л медицине: Межвуо. cñ. науч. тр. - Воронеж: МУВ'Г, 1994. С.27-31.

24. Особенности формирования базы данных системы ускоренного моделирования/ A.A. Рындии, В.Е. Межов, Ю.А.Чевычелов и др. // Онтнмиоадил и моделирование в автоматизированных системах: Межвуо.сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1992. С. 144-148.

25. Человеко-машинные процедуры екснресс-тестового анализа цифровых схем системы "КУЛОН - 4"/ B.U. Харин, В.В. Межов, Ю.А. Чевычелов и др. // Эффективность,качество, надежность систем "человек-техника"; [X симпозиум: Тед.докл. Воронеж: ВГТУ, 1990. С.106-107.

26. Чевычелов Ю.А. Раоработка подсистем функционально-логического моделирования САПР средств ВТ на основе мини- и микроЭВМ: Дис.-канд. тех. наук в форме научного доклада. Воронеж: ВПИ, 1990. 17 с.

27. Чевычелов Ю.А., Золотарев СЛ., Лопатин B.C. Автоматизация преобразования системы в новый технологический баоис// Автоматиоа-ция проектирования РЭА и ЭВА: Ten. докл. Республ. конф. - Пенаа: ПГТУ, 1992. С.21-23.

28. Чевычелов Ю.А., Золотарев СЛ. Минимизация стоимостной функции в задачах генерации тестовых последовательностей// Экстремальные задачи и их приложения: Тео .докл. научно-технической конф. Н.Новгород: ЛГУ, 1992. С.43-44.

29. Чевычелов Ю.А., Кононыхина H.A. Графические средства системы ускоренного моделирования // Оптимизация И моделирование и автоматизированных системах: Межвуо. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1994. С.39-44.

30. Чевычелов Ю.А., Кононыхина H.A., Межов A.B. Методология приме-1 . нения аппаратных средств моделирования// Математическое обеспечение высоких технологий в техническом образовании и медицине: Тео. докл. Воронеж: ВГТУ, 1994. С.139.

31. Чевычелов Ю.А., Марцинковский Е.В. Алгоритм моделирования неисправностей // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуо. сб. лауч: тр. Воронеж: ВГТУ, 1995. С.58-62.

32. Чевычелов Ю.Л., Марцииковский Е.Б. Повышение эффективности САПР логического проектирования цифровых схем // Математическое обеспечение высоких технологий в техническом обрааовании и медицине: Тео. докл.Всеросс. совещания-семинара. Воронеж: ВГТУ, 1994. С.16-17.

1

ЛР N 020419 от 12.02.92 Подписано к печати 24.04.97. Усл. печл. 2,0. Тираж 100 око. Закап N/26 Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., 14 Участок оперативной полиграфии Воронежского государственного технического университета

А:,езидиум ЗАК V'^

й&жззие от " ТУ" // г, ^

^в " --ъш.ученую степень Ди 'Л •

...........^т^к,^

.них управления

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ЭЛЕКТРОНИКА"

АООТ "ОКБ ПРОЦЕССОР"

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МНОГОУРОВНЕВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕМЕЙСТВ БИПОЛЯРНЫХ МАТРИЧНЫХ БИС ВЫСОКОЙ СЛОЖНОСТИ

специальность 05.13.12 - системы автоматизации

пр оектир ования

На правах рукописи

ЧЕВЫЧЕЛОВ Юрий Акнмович

Научный консультант: Лауреат Государственной премии СССР,

д.т.н, профессор Межов В.Е.

Диссертация

V

на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж 1997

/ /

ВВЕДЕНИЕ

Современные микроэлектронные технологии обеспечивают создание супер-БИС сложностью порядка 107 элементов на кристалл. Рост сложности схем заставляет разработчиков концентрировать внимание не только на отдельных аспектах проектирования, но и на процессе в целом и вести проект одновременно на нескольких уровнях абстракции. Это определяет высокие требования к производительности аппаратных и программных средств автоматизации проектных работ.

Решение проблем проектирования (высокое быстродействие и адекватность результатов, бездефектность проектов), получаемое в процессе создания проекта микроэлектронного объекта, не всегда возможно получить в установленные сроки и заданных ограничениях, в рамках существущих САПР с неоднократно опробированным и сложившимся множеством программных и аппаратных средств, использованием стандартного набора технических и технологических решений, поскольку получение практически пригодных результатов выливается в огромные материальные, вычислительные и временные затраты. Эти затраты обусловлены большим объемом (поток данных может достигать десятки мегабайт) исходных данных об объекте проектирования и его верификации, верификации логики работы устройства (скорость средств верификации возростает линейно, а сложность проекта -экспоненциально), согласовании временных соотношений , генерации тестового и диагностического обеспечения, формировании топологической инфор-

м м г

мации, согласованной с возможностями технологической реализации, формированием и передачей информационных потоков и данных между проектными процедурами.

Время проектирования становится одним из наиболее критичных факторов, определяющих при заданном уровне качества создание новых изделий микроэлектроники.

Проведенный анализ систем автоматического проектирования ЙЭТ и ВТ показал, что существует ряд противоречий в развитии САПР, сказывающихся в конечном счете на таких основных характеристиках процесса проектирования, как качество проекта и время его завершения:

• применяемые средства проектирования не обеспечивают комплексного подхода решения задач процесса разработки и создания проектов БИС. Основной причиной такого положения является отсутствие единой методологии концепции иерархического сквозного нисходящего проектирования, ориентированной на проектирование объектов электронной те-

хники высокой размерности и больших функциональных возможностей. Кроме того, рост сложности схем требует концентрации внимания на всем процессе проектирования в целом, а не на отдельных этапах проектирования и использования описания объектов проектирования более высокого (системного, поведенческого) уровня;

• слабая информационная взаимосвязь средств проектирования на различных этапах разработки;

• недостаточное внимание уделяется технологии тестопригодного проектирования, поддерживаемой технологической дисциплиной, последовательностью использования и эффективностью применяемых средств проектирования и получаемых решений;

• слабое использование статистических, вероятностных и эвристических алгоритмов и методов проектирования, обеспечивающих высокие скоростные, технические и экономические показатели изделия и процесса проектирования в целом;

• недостаточно высокая ориентация на специализированные аппаратные средства проектирования;

• недостаточно широко используются современные информационные технологии и средства машинной графики;

• игнорирование возможностей творческого сотрудничества разработчиков цифровых объектов и САПР.

Разрешение противоречий и решение задач проектирования цифровых объектов, связано с широким применением высокопроизводительных вычислительных машин и проблемно-ориентированных систем, новых методов и стратегий проектирования, способных обеспечить преодоление трудностей многоэтапного иерархического процесса разработки изделий электронной и вычислительной техники. Чем большее число процессов и процедур проектирования автоматизируется, чем шире они внедряются в процесс разработки, тем яснее становится, что решением основной задачи САПР (ускорение процессов проектирования в целом) , является системный подход по созданию концепции аппаратно - программного комплекса проектирования на единой информационной основе многочисленных по своему составу проектных, конструкторских и технологических задач.

Одним до направлений решения (задачи радикального сокращения времени проектирования является разработка и производство семейств полузаказных БИС с повышенной степенью интеграции на базовых матричных кристаллах (БМК), выполненных по биполярной технологии. Ключевая роль при этом отводится средствам автоматизированного проектирования высокой производительности) способных решать задачи логического проектирования в условиях большой сложности цифрового объекта и жестких временных ограничениях на его проектирование.

Необходимость создания и включение системы многоуровневого моделирования (СММ) в качестве структурного компонента САПР и отсутствие общей методологии ее построения делают актуальной разработку методов и алгоритмов повышения эффективности СММ, построения оптимальных моделей объектов проектирования, создание и оперативную отладку таких средств к быстро меняющимся условиям производства. Создание СММ предполагает существенное повышение эффективности и качества проектных работ за счет комплексного использования лингвистического и информационного обеспечения, программных и аппаратных средств повышения производительности процедур верификации и оптимальной организации процесса проектирования.

Диссертационная работа является частью комплексной работы, проводимой в рамках важнейших работ департамента электронной промышленности Миноборопрома РФ и плана создания новой техники НПО "Электроника."

Цель работы и задачи исследования. Исходя из актуальности поставленной задачи, целью работы является разработка и создание системы многоуровневого моделирования семейств биполярных БИС высокой сложности, обеспечивающей сокращение сроков исполнения проекта, повышение эффективности и качества процесса проектирования.

В соответствии с поставленной целью основными задачами работы являются: обоснование архитектуры интегрированной системы многоуро-внего моделирования (СММ) повышенной производительности семейств биполярных матричных БИС нового поколения высокой сложности, определение основных ее параметров, принципов реализации и структуры программного обеспечения; формирование рациональных проектных процедур и функциональных требований к подсистемам интегрированной системы многоуро-внего моделирования семейств биполярных матричных БИС; алгоритмизация основных проектных процедур СММ в соответствии с ориентацией на автоматический и интерактивный режимы проектирования; разработка и вне-

дрение элементов лингвистического, информационного, математического и программного обеспечения интегрированной СММ повышенной производительности семейств биполярных матричных БИС нового поколения; построение интегрированной системы проектирования семейств матричных БИС в составе САПР сквозного проектирования изделий электронной и вычислительной техники на основе сформулированных предложений и разработанных видов обеспечения.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы: теория и методы машинного моделирования, теория множеств, методы математической статистики, элементы теории графов, основные положения теории вероятностей.

Научная новиона. Получены следующие научные результаты:

- Концепция построения интегрированного программно - аппаратного комплекса многоуровневого моделирования, отличающегося сочетанием мини-и микроЭВМ со специализированными ускорителями при моделировании комплекта биполярных матричных БИС нового поколения в составе цифровой системы.

- Технология аппаратных ускорителей моделирования и архитектуры основных элементов ускорителей, обеспечивающих их унификацию для решения задач логического анализа, моделирования неисправностей, генерации и верификации тестов.

- Алгоритмические основы системы многоуровневого моделирования с использованием аппаратных ускорителей, увеличивающих производительности в несколько раз на программном уровне и на 3 - 4 порядка на аппаратном.

- Стратегия и методы проектирования тестопригодных узлов и блоков комплекта матричных биполярных БИС высокой сложности в составе цифровой системы, отличающейся оптимизацией логической структуры для повышения эффективности тестирования.

- Алгоритмы генерации тестов с учетом вероятностных параметров тестируемости, позволяющих значительно сократить количество входных воздействий, повысить достоверность верификации при снижении вычислительных затрат.

- Основные элементы лингвистического и информационного обеспечения системы многоуровневого моделирования, обеспечивающие единство и универсальность описания типовых элементов на различных уровнях процесса проектирования на базе многоуровневых библиотек и возможность интеграции в систему других пакетов.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы по-

ложены в основу создания интегрированной системы многоуровнего моделирования семейств биполярных БИС на базе отечественных и (зарубежных мини- и микроЭВМ и специализированных процессоров логического моделирования "Электроника МС90" и "Электроника МС91". Программно - аппаратный комплекс поддерживается разработанными лингвистическими средствами и соответствующим информационным и программным обеспечением. Созданные программные и аппаратные средства (целевые подсистемы и система в целом) переданы и внедрены на ряде предприятий Главного управления электронной промышленности в гг. Москвы» Воронежа» Орла» Н.Новгорода, Уфы» Ульяновска» Челябинска. Программные пакеты логического моделирования переданы в ОФАП отрасли. Интегрированная система многоуровневого моделирования в полном объеме внедрена в ОКБ "Процессор" г. Воронеж (в настоящее время АООТ "ОКБ ПРОЦЕССОР") и научно - исследовательском институте электронной техники НПО "Электроника". Система проектирования использовалась при разработке полузаказных семейств БИС на базовых матричных кристаллах на предприятиях г.г. Воронежа, Екатеринбурга, Ульяновска. Годовой экономический эффект от внедрения системы и целевых подсистем оценивается в 421 млн. рублей (в ценах 1993 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно - технических, семинарах и конференциях: на семинаре "Передача и обработка данных в системах управления и ЭВМ" (февраль 1989 г.); всесоюзной школе - семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы создания интелектуальных САПР РЭА и СБИС" (Академия наук СССР, НИИ САПР АН Крымская обл. май 1989 г.); всесоюзном совещании - семинаре молодых ученых " Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини- и микроЭВМ" (сентябрь 1989 г. г. Воронеж); научно - технической конференции конструкторского проектировадия РЭА и ЭВА (1989 г. Пенза); на IV симпозиуме "Эффективность, качество и надежность систем человек - техника" (г.Воронеж, 28 - 30 ноября 1990 г.); межвузовской конференции "Экстремальные задачи и их приложения" (И. Новгород июль 1992 г.); на Региональной конференции "Автоматизация проектирования РЭА и ЭВА" (Пенза, 12 - 13 октября 1992 г); на XXI международной конференции и школе молодых ученых и специалистов "САПР - 94 Новые информационные технологии в науке, образовании, медицине и бизнесе" (4 - 13 мая 1994 г. Крым, Гуроуф); всероссийском совещании семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (г.Воронеж, 3-5 ноября 1994 г); на XII международной школе и конферен-

ции CAD - 95. "NEW INFORMATION TECHNOLOGIES APPLICATION IN SCIENCE, EDUCATION,MEDICINE AND BUSINESS" (UKRAINE, CRIMEA, YALTA-GURZUFF. May 4-14 1995); на международной научно - технической конференции "Методы, средства оценки и повышении надежности приборов устройств и систем** (г. Пенза, 1995 г.);на отраслевых совещаниях и семинарах.

Диссертация в целом обсуждалась на межкафедральном семинаре Воронежского Государственного Технического Университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа. Часть результатов отражено в научно - технических отчетах по НИОКР, проведенных в период 1980 - 1995 г.г., где автор был главным конструктором или заместителем главного конструктора разработки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, состоящего из 206 наименований, и приложения. Основной текст изложен на 239 страницах машинописного текста. Работа содержит 33 рисунка, 15 таблиц.

Епава 1

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕМЕЙСТВ СБИС

1.1 Состояние развития и возможности производства СБИС

Техническая и экономическая целесообразность создания супериитегрнро-ванных изделий микроэлектроники стимулировала создание новых технологий производства таких изделий и методологий их проектирования. Важнейшими задачами проектирования, помимо увеличения роста степени интеграции ^функционального быстродействия схем, является предельное сокращение сроков и стоимости разработки при обеспечении высочайшего качества проектной информации.

От кристаллов сложностью 10 - 15 тысяч вентилей, изготовляемых по 3-мкм технологии, изготовители ИС на стандартных элементах и вентильных матрицах переходят к массовому производству 2-мкм полузаказных кристаллов сложностью 25 - 50 тысяч вентилей. В [55] приводятся данные о производстве фирмой LSI Logic Corp. по 1.5 - мкм технологии с двумя уровнями соединительной металлизации кристаллов, содержащих до 125 - 150 тысяч вентилей. Дальнейшая интеграция до 250 - 500 тысяч вентилей на кристалл будет достигнута в результате последуюшего перехода на минимальные проектные нормы 1мкм и менее.

В [14], исходя по темпов роста степени интеграции, анонсируется к концу текущего тысячалетия появление ЙС, создаваемых в условиях промышленного производства но 0.25-мкм технологическим нормам с числом тран-

апсторов, превышающим 30 млн. Проектирование изделий такого уровня относится к задачам высшей степени сложности.

Одним из направлений решения задачи сокращения времени проектирования является разработка и производство полузаказных БИС на базовых матричных кристаллах (БМК) с большой степенью интеграции.

БМК - это матрила стандартных компонентов, реализованная на пластине кремния, прошедшей все технологические операции до нанесения соединительной металлизации. Реализация заданных логических функций на такой пластине производится на последних технологических операциях создания рисунка межсоединений. Таким образом технологически выход партии пластин с заданной спецификацией межсоединений может быть произведен в самые короткие сроки - в течение нескольких дней с момента открытия заказа.

Степень интеграции подобных кристаллов и их быстродействие доводится до уровня, позволяющего разработчикам электронной аппаратуры создавать настоящие системы на одном или нескольких чипах.

В НПО "Элехтро шита" ведутся разработки по созданию элементной базы для производства полузаказных схем по биполярной технологии с 1,5 мкм проектными нормами. В этом базисе проведены разработки БМК на 50 тыс. логических вентилей (ЛВ). Ведутся разработки базового кристалла на 100 тысяч логических вентилей и проведены эскизные проработки с ориентацией на 1-мкм проектные нормы БМК сложностью порядка 1 миллион ЛВ [107].

1.2 Верификация объектов проектирования

Выполнение работ по проектированию и верификации семейства БМК в сжатые сроки - задача на грани современных технических возможностей. Идет постоянный поиск и разработка новых методов и средств проектирования на базе новейших достижений информационных технологий, обеспечивающих непрерывное совершенствование инструментальных средств, в направлении повышения их производительности и способности выполнения безошибочных проекто�