Моделирование цифровых интегральных схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В пояснительной записке по курсовому проекту «Проектирование моделей цифровых интегральных схем» для К155ЛП5, К155ИМ3, К155ИР13, приводятся сведения о постановке задачи, построении модели элементов, состав модели элемента, подготовке структурной части модели микросхем, подготовке графической части модели, подготовке функциональной части модели, математических выражениях, описывающих функции элементов и проверке модели элементов.

В приложении приводятся примеры структурных и функциональных моделей, а также тестов и результатов моделирования моделей и графические материалы.

микросхема моделирование проектирование

Введение

Современная технология проектирования и диагностирования электронных устройств, предполагает использование математических моделей и имитационного моделирования. Применение моделей и моделирование позволяют проверить (еще до изготовления) правильность разработанных схем, оценить эффективность тестовых проверок, определить эталонные реакции объекта контроля, подготовить тест-программы для аппаратуры диагностирования и ремонтную документацию и т.д. Объектом диагностирования являются устройства, которые используются в различных областях науки и техники при построении систем управления, регулирования, контроля, передачи и обработки дискретной информации.

Построение и анализ тестов, наиболее важные и трудоемкие задачи технической диагностики. Современная методология анализа построения тестов предполагает использование программных средств имитационного моделирования. При этом модель системы представляется в виде совокупности моделей некоторых базовых элементов (интегральных схем) ее составляющих. Формирование моделей элементов является достаточно трудоемкой и ответственной процедурой, определяющей достоверность результатов моделирования, а также, в значительной степени, затраты по времени и памяти при моделировании. Автоматизация процесса подготовки моделей позволяет сократить временные затраты, оптимизировать модели и исключить ошибки при их формировании.

Электронное устройство можно представить в виде соединенных некоторым образом функционально законченных узлов, которые далее будем называть "элементами". Модель устройства формируется на основе моделей элементов, сигналов и модели взаимодействия элементов. В качестве элемента обычно рассматривают микросхему, возможно, с дополнительными компонентами (резисторы, конденсаторы и т.п.). Число типов микросхем ограничено. Целесообразно создавать библиотеки моделей элементов (базы данных) с целью их последующего использования при создании моделей устройств.

Входными данными ПК СНИМОК являются сведения о числе, номерах и назначениях контактов, типе интегральной схемы, величинах задержки, напряжения питания и другие технические характеристики, описание функции элемента, а также данные для формирования условного графического изображения элемента.

Выходными данными являются модели элементов в формате, требуемом для функционирования системы имитационного моделирования.

Постановка задачи включает в себя 5 этапов:

- цель работы;

- какие решаются задачи для достижения цели;

- какие используются методы (научные, математические и др.) и средства (технические, программные, информационные) для решения поставленных задач;

- какие необходимы исходные данные для решения поставленных задач с использованием применяемых методов и средств;

- какие получены результаты при решении задач для достижения цели.

Целью курсового проектирования является построение моделей цифровых интегральных схем К155ЛП5, К155ИМ3, К155ИР13.

Для решения цели необходимо решить задачи:

- анализ сущности моделей;

- подготовка структурной модели;

- подготовка графической модели;

- подготовка функциональной модели;

- построение контролирующего теста;

- проверка модели.

Для решения задачи «Анализ сущностей моделей» используется справочная литература.

При построении структурной и графической модели используется программный комплекс «СНИМОК». Необходимыми данными являются сведения о структуре и условно-графическое обозначение моделей.

При построении функциональной части моделей используется структурная и функциональная модели, в качестве метода применяется Булева алгебра.

Контролирующий тест строится по эквивалентно-нормальной форме.

Проверка моделей выполняется при помощи программы «СНИМОК». Для этого используется контролирующий тест.

Цель работы

Целью курсового проекта по дисциплине Техническая диагностика является «Построение моделей цифровых интегральных схем». Целью курсового проектирования является подготовка к дипломному проектированию и получение навыков работы со справочной литературой по интегральным схемам, изучение функционирования микросхем, определение математического описания и программирования работы интегральной схемы, построения контролирующих тестов, освоение методов практического построения и отладки функциональных моделей.

Состав исходных данных курсового проектирования определяется исходной информацией для формирования проекта, которая включает задание на курсовое проектирование, справочные данные об интегральных схемах, программное обеспечение системы автоматизации диагностирования (САД) МОДА и ПК СНИМОК, инструкцию по подготовке моделей.

Справочные данные об интегральных схемах (ИС) приведены в цифровом виде на сайте цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС. Сведения об ИС формируются на основе справочников и литературных источников об ИС . Справочные данные содержат условно-графическое обозначение (УГО), описание функционирования и структурные (функциональные) схемы ИС.

САД «МОДА». Система автоматизации диагностирования «МОДА» используется для моделирования на ЭВМ устройств РЭА, в состав которых входят цифровые, аналого-цифровые и аналоговые ИС. В состав программного обеспечения (ПО) «МОДА» входят пять подсистем - программных комплексов (ПК):

- ОПУС - описание устройства;

- АИСТ- тест устройства (автоматизированная интерактивная система синтеза тестов);

- МОДУС - моделирование устройства;

- СНИМОК - подготовка моделей

ПК «СНИМОК» предназначен для автоматизации построения и верификации (проверки) программных моделей, создания библиотеки (базы данных) моделей цифровых, аналого-цифровых и аналоговых элементов.

Подготовка моделей. Выполнение курсового проекта начинается с постановки задачи. Построение моделей ИС ведется в среде программного комплекса (СНИМОК). В результате подготовки моделей создаются структурная, графическая, функциональная модели, формируется база данных моделей (библиотека моделей). Разработка контролирующего теста производится методом ЭНФ с использованием аналитического описания функционирования ИС. Верификация модели осуществляется с помощью моделирования и анализа функционирования ИС на заданных входных воздействиях с применением разработанной модели и ПК «СНИМОК». Подготовка графического материала соответствует требованиям ГОСТ и дипломного проектирования.

По курсовому проектированию оформляется отчет в виде пояснительной записки с приложением необходимых графических материалов и прилагаемых электронных данных в виде файлов. Отчет оформляется по требованиям - СТП. 1. 205-2004 (Стандарт ВГУЭС), ГОСТ 19.701-90 ЕСПД «Схемы алгоритмов, программ, данных и систем»; ГОСТ 2.105-95 ЕСКД «Общие требования к текстовым документам»; комплекса стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы (ГОСТ 34.201-89, 34.602-89, РД 50-682-89, РД 50-680-88, ГОСТ 34.601-90, ГОСТ 34.401-90, РД 50-34,698-90, ГОСТ 34.003-90, Р 50-34.119-90) с учетом рекомендаций и требований к дипломному проектированию по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» .

Техническое задание на проектирование. Техническое задание - это документ, оформленный в установленном порядке и определяющий цели создания разработки, методы и средства, задачи, требования и основные исходные данные, необходимые для разработки, а так же план-график создания разработки. По завершению курсового проектирования разрабатывается техническое задание (ТЗ) на проектирование согласно требованиям дипломного проектирования и стандарта на автоматизированные системы .

Подготовка графического материала. Задание на КП определяет состав графического материала. Графический материал оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД и сопровождает этапы проектирования. Он оформляется на заключительном этапе курсового проектирования (по аналогу дипломного проектирования).

Подготовка моделей микросхем К155ЛП5, К155ИМ3, К155ИР13

Построение моделей ИС ведется в среде программного комплекса (СНИМОК). В результате подготовки моделей создаются структурная, графическая, функциональная модели, формируется база данных моделей (библиотека моделей). Разработка контролирующего теста производится методом ЭНФ с использованием аналитического описания функционирования ИС. Верификация модели осуществляется с помощью моделирования и анализа функционирования ИС на заданных входных воздействиях с применением разработанной модели и ПК «СНИМОК». Подготовка графического материала соответствует требованиям ГОСТ и дипломного проектирования.

Применение моделирования при решении задач проектирования диагностирования электронных устройств

В настоящее время моделирование на ЭВМ поведения электронных устройств является неотъемлемой частью систем автоматизации проектирования и диагностирования.

Суть моделирования состоит в построении математической модели исследуемого устройства - системы соотношений, описывающей поведение этого устройства с заданной точностью и последующем анализе поведения модели по ее реакции на входные воздействия. С помощью моделирования решаются следующие основные задачи:

- проверка правильности функционирования устройства;

- анализ временных характеристик устройства;

- проверка цепей установки в начальное состояние;

- анализ на состязания;

- получение эталонных значений выходных сигналов;

- определение диагностических свойств тестов;

- получение диагностической информации и ремонтной документации для организации поиска места неисправности.

В математической модели устройства выделяют три составляющие:

- модель сигналов;

- модели элементов;

- модель взаимодействия между элементами и внешней средой.

Естественно выделить три уровня моделей, применяемых при моделировании электрических процессов: электрическая цепь, структурно-функциональные, функциональные.

Используется также комбинированное представление устройства моделями разных уровней (рисунок 1.4).

Модели первого уровня - электрическая цепь позволяют получать наиболее точные и глубокие сведения о протекании электрических процессов в устройстве. Устройство представляется в виде электрической цепи, элементами которой являются резисторы, конденсаторы индуктивности, источники напряжений и токов. Диоды, транзисторы, тиристоры, микросхемы и другие подобные компоненты представляют эквивалентными схемами замещения.

Затем для полученной модели электрической цепи с использованием законов Кирхгофа и Ома составляется система уравнений, описывающая электрические процессы в этой цепи. Путем решения системы уравнений определяются токи и напряжения в любом элементе электрической цепи при заданных входных воздействиях. В качестве неисправностей цепи обычно рассматривают обрывы и короткие замыкания отдельных ее элементов, уход параметров элементов за пределы установленных допусков.

Рис. 1. Три составляющие в модели устройства

Некоторые проблемы возникают при моделировании неисправностей тех компонентов устройства, которые представляются эквивалентными схемами замещения. Так, обрывы и замыкания элементов типовой схемы замещения транзистора (например схемы замещения Эберса-Молла) не имитируют реальные катастрофические дефекты полупроводниковых переходов транзистора.

Основной недостаток моделей первого уровня, с точки зрения их использования для моделирования современных устройств, построенных на интегральных микросхемах, обусловлен большой размерностью получаемых систем уравнений и как следствие высокой трудоемкостью моделирования.

Функциональные модели являются моделями высокого уровня. При построении такой модели устройство рассматривают как "черный ящик", для которого неизвестна внутренняя структура, но определены внешние входы и выходы, а также некоторые внутренние параметры, характеризующие состояние устройства. Функционирование устройства описывается передаточной функцией, позволяющей вычислить выходные сигналы для заданных входных воздействий и внутренних параметров.

Возможны различные формы ее задания. Часто передаточная функция представляется системой алгебраических, дифференциальных, логических уравнений и неравенств или их композицией. Значения коэффициентов в уравнениях определяются значениями внутренних параметров. Используемые типы уравнений зависят от класса, к которому относится устройство (цифровое, аналоговое или аналого-цифровое), и интересующих нас режимов их функционирования (статика, динамика). Под неисправностями в функциональной модели обычно понимают отклонение коэффициентов уравнений за установленные допустимые пределы.

На этапах производства и ремонта требуется указывать место неисправности с точностью до заменяемого элемента, например интегральной микросхемы. В таких случаях функциональная модель, как правило, не используется, так как она не отражает структуру диагностируемого устройства.

Промежуточное положение между моделями первого и третьего уровней занимают структурно-функциональные модели. Они обычно эффективны при решении задач проектирования и диагностирования современных устройств, построенных на интегральных микросхемах.

При этом в качестве элемента выбирают конструктивно и функционально законченную часть устройства. Для элемента определяются входы, выходы и составляется функциональная модель. Фактически эта модель представляет собой некоторую передаточную функцию, с помощью которой можно определить значения выходных сигналов элемента для заданных значений на его входах. В современном электронном устройстве элементом является интегральная схема, возможно с дополнительными компонентами (резисторы, конденсаторы и т.п.).

Для подготовки моделей интегральных схем выбирается структурно-аналитический тип модели.

Назначение комплекса снимок

Программный комплекс (далее "программа") СНИМОК реализована на языках Си и Ассемблер, предназначена для автоматизации подготовки, верификации (проверки), а также для создания библиотеки моделей цифровых, аналоговых и аналого-цифровых элементов. Элементами могут быть:

- цифровые ИС, БИС;

- аналоговые ИС и БИС, возможно, с дополнительными компонентами: резисторы, конденсаторы и т.п.;

- структуры на основе группы ИС и/или компонентов;

- функционально-законченные узлы (например, части БИС и СБИС, ТЭЗы, части ТЭЗов и т.п);

- генеpатоpы сигналов;

- шины, разъемы, магистрали, элементы монтажной логики.

Обрабатываемые элементы могут иметь двунаправленные контакты и контакты, с высокоимпедансным состоянием (Z-состояние); реализовать функции АЦП, ЦАП, ПЗУ, ОЗУ и т.д.

Программа СНИМОК выполняет следующие функции:

- ввод данных при формировании модели в pежиме диалога с помощью системы меню;

- проверку корректности вводимых данных;

- верификацию (проверку) создаваемых моделей;

- хранение, редактирование и просмотр создаваемых моделей.

Входными данными программы являются сведения о числе, номерах и назначениях контактов, типе интегральной схемы, величинах задержки и напряжения питания, описание функции элемента и т.д. Эти сведения берутся из справочной литературы на элементы электронной техники.

Режим работы комплекса снимок

Программный комплекс СНИМОК устанавливается на жесткий диск в корневой каталог с именем MODA. Он содержит файлы и подкаталоги с именами:

moda.exe - запускающий модуль;

mdedit.ove - текстовый редактор;

SNIMOK - подкаталог с файлами:

1) snimok.exe - основной модуль;

2) snpic.exe - графический редактор;

3) snmod.exe - модуль проверки моделей;

LIBM - подкаталог библиотеки трансляции функциональных частей моделей, включающий файлы:

1) snmod.lib - набор исполняемых кодов специальных подпpогpамм функциональных частей моделей;

2) snc0.obj - модуль загрузчика исполняемых программ;

3) sndef.h - описания специальных подпpогpамм и констант;

DВM - каталог БД моделей элементов.

Для подготовки к работе с программой СНИМОК необходимо выполнить следующие операции.

1. Включить ПЭВМ.

2. После появления на экране панели с именами корневых каталогов установить курсор на имя MODA и нажать клавишу ENTER.

3. После появления на экране панели с именами файлов установить курсор на имя moda.exe и нажать клавишу ENTER.

4. Установить курсор на пункт ПОДГОТОВКА МОДЕЛИ и нажать клавишу ENTER, либо нажать функциональную клавишу F5.

После выполнения вышеописанных операций пользователю предоставляется экран с пунктами основного меню, определяющими возможные режимы работы по созданию модели. Это меню появляется в верхней части экрана и включает пункты (рис. 2):

СТРУКТУРА - сеанс подготовки стpуктуpной модели;

ФУНКЦИЯ - сеанс подготовки функциональной модели;

ИЗОБРАЖЕНИЕ - сеанс подготовки гpафической модели;

ПРОВЕРКА - сеанс проверки модели;

БАЗА ДАННЫХ - pабота с БД моделей;

НАСТРОЙКА - конфигуpация пpогpаммы;

ВЫХОД - пpекpащение выполнения pаботы пpогpаммы и выход в головное меню.

Рис. 2. Главное меню программы Снимок

Причем после выполнения последней операции программа СНИМОК автоматически устанавливается в режим работы, обеспечивающий выполнение пункта СТРУКТУРА. При этом курсор устанавливается на пункте СТРУКТУРА.

Модель каждого элемента состоит из трех частей: структурной, функциональной и графической. Последняя не обязательна. В дальнейшем, для краткости, вместо термина "часть модели" будем также использовать термин "модель".

Структурная часть включает: имя каждой части модели, общее описание элемента, тип ИС, тип элемента, сведения о количестве, обозначениях и функциональном назначении контактов, размерность сигналов на контактах, число и pазмеpность собственных параметров (СП) элемента, пpедельные величины задержки и напpяжения питания, значения максимальной частоты pаботы и нагpузочной способности элемента.

Функциональная часть модели представляет собой специальную прогpамму на языке программирования Си или Ассемблер, странслированную в исполняемую программу. С ее помощью вычисляются значения выходных сигналов элемента для заданных входных сигналов, внутpенних состояний (пеpеменных) и СП. Пpогpаммиpуемые пpавила вычислений могут быть начально заданы в виде алгоpитма, аналитического выpажения, таблицы и т.п. В дальнейшем будем полагать, что функциональная часть модели пpедставляет собой pеализацию функции элемента в виде специальной пpогpаммы. Некоторые паpаметpы (например, сопротивления обратных связей, опорное напряжение АЦП и т.п.) можно описать как CП моделей. Их число и размерности указываются в структурной части модели. Модели с СП целесообразно применять в случаях, когда функция элемента может изменяться с помощью дополнительно подключаемых компонент или других внешних воздействий. Это позволяет иметь одну и ту же модель в БД для элементов с pазными СП, значения котоpых задаются пpи вводе описания элемента.

Работа с программой СНИМОК организуется в форме сеансов по формированию структурной, функциональной, графической моделей, а также проверке моделей.

Программа СНИМОК управляется с помощью системы меню и заранее назначенных функциональных клавиш. Возможно использование двухклавишного манипулятора "мышь". Выбор сеансов работы осуществляется с помощью пунктов основного меню. Выбор пункта меню выполняется подведением к нему цветового указателя с помощью клавиш управления курсором или "мыши" и нажатия клавиши ENTER. При этом возможны два случая. В первом - на экране дисплея появляются другие пункты меню, которые для удобства описания назовем подменю i-го уровня данного пункта. Число i равно количеству подменю, которые необходимо пройти от начального меню, для того чтобы попасть в данное подменю. Во втором случае программа сразу выполнит действия, предписанные выбранному пункту. Максимальный уровень подменю - 4. В описании каждого сеанса приведена используемая в нем система меню.

При работе с манипулятором "мышь" нажатие на левую клавишу соответствует нажатию клавиши ENTER клавиатуры, нажатие на правую клавише ESC.

После входа в основное меню можно использовать функциональные клавиши, информация о которых дается в нижней части экрана:

F1 - подсказка;

F2 - выход в программу ввода описания схемы устройства;

F3 - выход в программу описания теста устройства;

F4 - выход из СНИМКА в программу моделирования устройства;

F6, F7 - переход в режим формирования структурной и функциональной частей моделей (соответственно);

F8 - переход в режим работы с БД;

F9 - переход в режим проверки модели.

F10 - выход в DOS, минуя головное меню.

Дополнительно можно использовать функциональные клавиши:

ESC - возврат в меню предыдущего уровня. Нажатие клавиши приведет к прекращению работы программы и передаче управления операционной системе;

END - быстрый возврат из меню любого уровня в основное меню программы.

Формирование модели элемента начинается с описания ее структурной части. Далее выполняется фоpмиpование графической и функциональной частей модели и ее проверка (ввод теста и моделирование).

Пункт НАСТРОЙКА предназначен для установки конфигурации программы СНИМОК на текущие требования. Он содержит подменю со следующими пунктами.

ФАЙЛ БД - ввод имени файла БД, в котором хранятся требуемые модели.

ВЫХОД В DOS - временный выход из программы СНИМОК в операционную систему для выполнения системных команд; для возврата в программу, необходимо набрать команду EXIT.

ЧАСЫ - включение/выключение индикации текущего времени.

ШРИФТЫ ПЕЧАТИ - выбор модификаций шрифта для печати. Можно установить следующие модификации:

ПЛОТНЫЙ - шpифт с 60% (от ноpмальной -10 знаков на дюйм) шиpиной знаков в стpоке, т.е. 17 знаков на дюйм;

РАСШИРЕННЫЙ - шpифт с двойной шиpиной знаков в стpоке (5 знаков на дюйм);

ДВОЙНОЙ УДАР - двойной пpоход по стpоке при печати;

ОТСТУП ВПРАВО - задание левой гpаницы пpи печати;

РАЗМЕР СТРАНИЦЫ - задание числа стpок в одной стpанице текста при печати;

СБРОС - сбpос вышепеpечисленных модификаций шpифта. Перед установкой модификации шрифта печатающее устройство должно быть полностью подготовлено к pаботе.

Выбор пункта ВЫХОД приводит к прекращению выполнения программы СНИМОК и переходу в головное меню.

Подготовка структурной части модели микросхем

Структурная часть модели включает: имя каждой части модели, общее описание элемента, тип ИС, тип элемента, сведения о количестве, обозначениях и функциональном назначении контактов, размерность сигналов на контактах, число и pазмеpность собственных параметров (СП) элемента, предельные величины задержки и напряжения питания, значения максимальной частоты работы и нагрузочной способности элемента.

Для подготовки структурной части модели необходимо получить условно-графическое изображение (или УГО). На рисунках показаны УГО микросхем К155ЛИ5, К155ИМ1, К155ИЕ8 соответственно.

Рисунок 3. УГО микросхемы К155ЛП5



Рисунок 4. УГО микросхемы К155ИМ3

Рисунок 5. УГО микросхемы К155ИР13

Схема К155ЛП5 (рисунок 3) представляет четыре элемента исключающее ИЛИ. Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Схема К155ИМЗ (рисунок 4) представляет собой быстродействующий 4-разрядный двоичный сумматор. Функциональная схема сумматора, приведенная на рис. 5 имеет по два информационных входа А и В на каждый разряд, вход переноса РО, четрые выхода суммы с каждого разряда S1, S2, S3, S4 и выход переноса с четвертого разряда Р4.

Схема предназначена для сложения двух 4-разрядных двоичных чисел. Операция сложения в сумматоре выполняется параллельно, а операция переноса - последовательно. Наличие инверсии между входом и выходом переноса одного разряда приводит к необходимости в инвертировании входных сигналов четных разрядов.

Результат суммирования снимается с выходов нечетных разрядов в прямом коде, а с выходов четных разрядов - в инверсном. Состояние выходов сумматоров и зависимости от состояний входов приведены.

После выполнения внешних соединений схема К155ИМЗ может быть использована в качестве 3- разрядного суммирующего устройства. На объединенные входы А4 и В4 подается уровень логического "О" или логической "1". При этом результат суммы снимается с выхода S3, а перенос -с выхода S4. Из схемы К155ИМЗ можно получить два независимых сумматора: 2-разрялный и одноразрядный. В 2-разрядном сумматоре слагаемые подаются на входы А1, В1 и А2. В2. Входы A3 и ВЗ объединяются и на них подается уровень логической "1" или логического "О".

Результат суммирования снимается с выхода S2, а перенос - с выхода S3.

Слагаемые второго сумматора подаются на входы А4 и В4, сумма снимается с выхода S4, а перенос - с выхода Р4.

Схема К155ИР13 (рисунок 5) представляет собой 6-разрядный двунаправленный регистр сдвига с последовательным и параллельным занесением информации.

Схема имеет входы последовательного занесения D+ при сдвиге вправо и D- при сдвиге влево, восемь входов параллельного занесения Dl - D8, тактовый счетный вход С, управляющее входы VI и V2 для выбора режима работы, вход установки в "О" R и восемь выходов каждого разряда 1-8.

В зависимости от состояний установочных входов VI, V2, и R схема может работать в различных режимах:

- последовательного занесения со сдвигом вправо;

- последовательного занесения со сдвигом влево;

- параллельного занесения;

- хранения;

- установки в "О".

При работе схемы в режиме последовательного занесения со сдвигом информации вправо на вход V1 подается уровень логического "О", а на вход V2 - уровень логической"!".

Информация в последовательном коде поступает на информационный вход D+. Сдвиг вправо на один разряд выполняется синхронно при каждом положительном перепаде тактового импульса.

Бели на управляющий вход VI подать уровень логической "1", а на вход V2 уровень логического "О", то на каждый положительный перепад тактового импульса будет осуществляться сдвиг влево. При этом вновь поступающая информация подается на последовательный вход сдвига влево I.)..

Параллельное занесение информации осуществляется через информационные входы D1 - D8, когда оба установочных входа находятся в состоянии логической "1". На выходах регистра информации в параллельном коде появится синхронво по положительному перепаду тактового импульса.

При подготовке структурной части модели необходимо подготовить следующие исходные данные:

- имя для формируемой модели элемента;

- функциональное назначение элемента (в виде текста);

- обозначение заданной ИС (из задания);

- тип (аналоговый, цифровой, аналого-цифровой) и особенности элемента;

- уровень вложенности - всегда 0;

- нагpузочная способность и максимальная частота pаботы (из справочника);

- описание контактов - номер, назначение, размерность сигнала (из справочника);

- описание СП модели - всегда 0;

- значение задержки (из справочника);

- напряжение питания элемента (из справочника);

- логическое значение на незадействованном контакте (для ТТЛ - значение 1).

Данные можно поделить на общие и индивидуальные. Общие данные представлены в таблице 3.1, а индивидуальные для каждой из ИС в таблице 3.2.

Таблица 1

Общие данные для всех микросхем.

Характеристики ИС	Значение
Нагрузочная способность	10
Максимальная частота	25
Описание СП	0
Логические значение на незадействованном контакте	1

Задание имени модели, сгруппированное по функциональному назначению. Первая буква имени определяется, как D - для цифровых интегральных схем (ИС, БИС). Вторая буква задается из таблицы 1 - по приставке заданной серии ИС находится Приставка имени модели», к ней добавляется цифра из серии заданной ИС. Следует иметь ввиду, что пользователь может вводить и иные правила определения имен файлов и моделей. Например, определить имя модели для микросхемы К155ЛИ5, оно определяется, как DI5, где

D - модель цифровая;

I - приставка имени модели (серии ЛИ соответствует буква I);

5- цифра серии заданной ЛА - К155ЛИ5.

К оставшемся двум схемам К155ИМ1 и К155ИЕ8 применим тот же алгоритм и получим для К155ИМ1 имя SDS1, а для К15ИЕ8 - SDC8.

Различают элементы комбинационные и с памятью. Установившиеся значения выходных сигналов комбинационного элемента полностью определяется значениями на входах. Значения выходных сигналов элементов с памятью определяются не только значениями на входах, но и предыдущими состояниями элементов памяти. Для хранения информации о состоянии памяти вводятся дополнительные внутренние контакты, количество которых определяется числом триггеров логической схемы элемента. Им присваиваются номера незадействованных контактов ИС и/или вводятся дополнительные (далее фиктивные) контакты. Последние имеют номера больше, чем максимальный номер контакта реальной ИС. Естественно, при этом число контактов модели будет больше, чем у реальной ИС.

Подготовка графической части модели

Графическая модель фактически представляет собой условное графическое изображение элемента. При выполнении этого этапа работы необходимо сформировать условное графическое обозначение (УГО) для необходимых схем, при этом каждая схема рассматривается как единый функционально законченный узел (элемент), для которого определяются внешние входы и выходы, функциональное назначение выводов и другие данные, необходимые для построения УГО узла.

Для ознакомления с правилами начертания условного графического обозначения цифровых ИС целесообразно изучить ГОСТ 2.708-81, ГОСТ 2.743-82. Согласно этих ГОСТов установлены общие правила построения УГО элементов цифровой техники в схемах. УГО элементов строят на основе прямоугольника. В общем случае УГО содержит основное и два дополнительных поля.

Выводы элементов цифровой техники делятся на входы, выходы, двунаправленные выводы и выводы, не несущие информации. Входы изображают слева, выходы - справа, остальные выводы - с любой стороны УГО. При необходимости разрешается поворачивать обозначения на 90' по часовой стрелке, т.е. расположить входы сверху, а выходы снизу. Вывод элемента имеет условное обозначение, которое выполняется в виде указателей. Указатели проставляют на линии контура УГО или на линии связи около линии контура со стороны линии вывода.

При обозначении двунаправленного вывода применяют метку <---> или < >, проставляя метки над обозначениями входных выводов и под обозначениями выходных. Логически равнозначные выводы объединяются в группы, при этом метку, обозначающую функциональное назначение всей группы, записывают внутри группы. На УГО такие группы (секции) разделяются интервалами или линией. На секции могут делиться не только выводы, но и УГО в целом. В последнем случае секции разделяют функционально независимые части ИС.

Перед формированием графической части модели в БД уже должна находится структурная модель элемента. Без структурной модели дальнейшая работа невозможна. Если подготовка графической модели выполняется не сразу после формирования структурной модели, а после перезагрузки программы СНИМОК, то предварительно нужно настроиться на имя файла БД с именем модели рассматриваемого элемента.

Порядок работы при подготовки графической части модели микросхем

Формирование графической части модели ведется в следующей последовательности.

Выбирается пункт ИЗОБРАЖЕНИЕ основного меню. При этом появляется соответствующее подменю 1 уровня.

Выбирается пункт подменю РЕДАКТОР, ПРОСМОТР или ОБЗОР.Пункт РЕДАКТОР потребует ввода обозначений элемента на схеме: номера входных, выходных, двунаправленных контактов и контактов питания. Пункт меню ПРОСМОТР позволяет просмотреть на экране графическое изображение модели из текущего файла БД.

Последовательно заполняются "окна-шаблоны", предоставляемые программой.

Выбирается пункт ОБЗОР для просмотра на экране состава библиотеки, графических частей моделей текущего файла БД (для проверки факта занесения модели в БД).

Если пользователь изменил структурную часть модели (в результате чего изменились хотя бы одна из характеристик: имя модели, номера и число контактов), то он должен удалить старую графическую модель из БД и сформировать ее заново.

Исходной информацией для формирования графической части модели является условно-графическое обозначение микросхемы и информация о назначении выводов, которые берутся из справочной литературы, для каждого контакта вводятся его номер, признак, обозначение, а также является ли он разделителем.

Для построения графической части необходимы следующие исходные данные:

- обозначение функции элемента (оно помещается в первой строке основного поля УГО;

- номер, функциональное назначение каждого контакта и его обозначение в дополнительном поле условного;

- схему разбиения ИС на секции (т.е. на функционально-независимые части), а также разбиение контактов на группы, которые необходимо выделить в дополнительном поле.

Подготовка функциональной части модели

Современное электронное устройство обычно можно представить из функционально законченных узлов (регистр, компаратор, умножитель, аналого-цифровой преобразователь, триггер и т.п.). Такой узел (далее элемент) представляет собой ИС, возможно, с навесными компонентами (образующими цепи коррекции, обратную связь и т.д.), причем передаточную функцию элемента зачастую можно считать не зависящей от других элементов. Структура устройства задается при этом сетью, вершины которой соответствуют элементам, внешним входам и выходам устройства, а дуги - связям, существующим между элементами и внешними входами (выходами). Передаточная функция элемента в общем виде может быть представлена системой уравнений

F = f(X, Y, P, t), где

X и F - входные и выходные переменные элемента;

Y - состояние внутренней памяти;

P - собственные параметры элемента;

t - время.

Значения собственных параметров определяются значениями компонент электрической схемы элемента. Например, для усилителя такими параметрами могут быть напряжение насыщения и сопротивление обратной связи. Фактически значения P задают значения коэффициентов в уравнениях F. В функциях цифровых элементов составляющая P обычно отсутствует. Каждому входу элемента ставится в соответствие одна из входных переменных, выходу - выходная переменная.

Будем различать цифровые, аналоговые и аналого-цифровые элементы. Сигналы на входах и выходах элементов характеризуются некоторыми параметрами. Цифровой сигнал обычно характеризуется логическими уровнями (О или 1), аналоговый - уровнем постоянного напряжения или частотой и т.п. Элемент назовем цифровым (аналоговым), если сигналы на его входах и выходах относятся к типу цифровых (аналоговых). У аналого-цифровых элементов часть сигналов относится к цифровым, а часть - к аналоговым.

В теории моделирования все элементы, в зависимости от алгоритма функционирования, разбиваются на два класса - комбинационные и последовательностные (или элементы с памятью). У комбинационных элементов значения выходных сигналов однозначно определяются значениями их входных сигналов в данный момент времени, т.е. для них

F = f(X, P, t)

Выходные сигналы элементов с памятью зависят от внутреннего состояния Y. При составлении функции такого элемента внутреннее состояние задается с помощью особых переменных, которые называют внутренними. Внутренние переменные обычно сами являются функцией от X, P и предыдущих значений внутренних переменных.

При рассматриваемой модели функционирование устройства во времени можно разбить на интервалы, в каждом из которых неизменны параметры входных сигналов, а длительность интервала больше длительности переходных процессов. Фактически эта модель предполагает, что устройство (и, соответственно, его элементы) функционирует в дискретном времени, где каждому моменту времени сопоставлен один из выделенных интервалов. Совокупность значений параметров сигналов на внешних входах устройства на данном интервале (в данный момент дискретного времени) в дальнейшем будем называть входным воздействием, или входным набором.

Входным, выходным, внутренним переменным и собственным параметрам (СП) модели элемента могут присваиваться значения, которые называют символами. Совокупность возможных символов является алфавитом моделирования. В настоящей методике предполагается, что цифровые сигналы могут принимать значения из алфавита {0,1,X,Z}, где:

0 - уровень "логический 0" ;

1 - уровень "логическая 1";

X - неопределенное (неизвестное) значение;

Z - высокоимпедансное ("третье состояние") состояние.

Значение X означает, что в соответствующей точке схемы сигнал может быть 0 или 1, однако, точное значение неизвестно. Алфавит моделирования для аналоговых сигналов может включать любые положительные и отрицательные числа, которые позволяет получать используемая для моделирования ЭВМ. При этом для аналогового сигнала также возможно значение X, которое кодируется особым образом самой программой моделирования.

Исходными данными необходимыми для построения функциональной модели являются

Условно графическое изображение (УГО) ИС. Представленные выше в тексте. Некоторое описание, отображающее функциональную зависимость между сигналами на входах и выходах элемента. Оно может быть представлено в виде математических выражений, таблицы, графа переходов и данные из ранее построенной структурной модели, написать в виде булевой функции закон функционирования заданной ИС, отображающей зависимость каждого выхода элемента от его входов. Провести минимизацию полученной функции с использованием правил булевой алгебры (если это возможно);

В свое работе я использовал для всех ИС К155ЛП5, К155ИМ3, К155ИР13 описание функционирования микросхем представленный в пункте 3.1.2 данного отчета.

Структурная часть модели (эти данные должны быть в базе данных комплекса СНИМОК к моменту начала программирования функции элемента.)

Структурные схемы микросхем

Так же для построения функциональной модели необходимо использовать схемы функционирования.

В силу того что схема К155ЛП5 является очень простой и поэтому структурная схема для нее необходимо. А ИС К155ИМ3 и К155ИР13 являются более сложными и имеют внутренние контакты и элементы с памятью ниже я привел две схемы.

Рекомендуемая структура программы, имитирующей функционирование элемента, приведена на рисунке 3.8. При переходе в режим формирования функциональной части модели элемента на экране дисплея появляется шаблон - начальная часть программы. Она включает в себя комментарий, название основной программы (MODEL) и фигурные скобки {}. Комментарий содержит имя модели и ее функциональное назначение.

Текст комментария берется из данных структурной части модели. Фигурные скобки отмечают начало и конец последовательности операторов, образующих тело функции.

После открывающейся фигурной скобки следует описание переменных. С точки зрения методики построения модели возможны входные, выходные, внутренние и промежуточные переменные. Каждому входу и выходу элемента сопоставляется некоторая входная или выходная переменные, соответственно. Для работы с этими переменными используются специальные функции IN(), OUT(,) ( см.п.4.4). Внутренние переменные вводятся для хранения внутреннего состояния элемента памяти (триггера). Им сопоставляют незадействованные и (или) несуществующие (будем использовать также термин "фиктивные") контакты элемента. Работа с внутренними переменными может также осуществляться с помощью функций IN() и OUT (,).

Описатель типа данных TEMP (рисунок 3.10) применяется для перечисления промежуточных переменных, которые будут использоваться при программировании функции элемента. Описатель типа данных TEMP в программе модели может отсутствовать, если в процессе вычислений достаточно оперировать значениями на контактах элемента, т.е. функциями IN и OUT.

В блоке присваивания начальных значений задаются начальные значения переменных. Для этого может применяться функция IN (), где в скобках указывается номер входного контакта. Функция IN читает из специального массива значения сигнала на контакте. Например, запись a = IN(2) означает: переменной "a" присвоить значение, равное значению сигнала на контакте 2.

В блоке вычислений программируются действия, в ходе которых по значениям сигналов на входах и внутренних переменных определяются выходные сигналы элемента.

Присвоение вычисленных значений выходным контактам элемента осуществляется с помощью функции OUT (,), где в скобках через запятую указываются номер выходного контакта и имя переменной (или выражения), значение которой присваивается выходному контакту. Так, запись OUT (7,a) означает, что выходному контакту с номером 7 присваивается значение переменной "a". Вместо переменной "a" может стоять выражение. Например, запись вида OUT(7,IN(2)&b) или OUT(7,f = IN(2)&b) означают: выходному контакту 7 присвоить значение произведения IN (2)&b или переменной f = IN(2)&b.

Для упрощения программирования функции элемента можно использовать специально разработанные функции (подпрограммы) на языке Си, а также специальные константы и переменные.

Ниже дается список имен специальных функций, констант, переменных и их назначений.

MODEL - имя основной пpогpаммы функции модели, включающей в себя все определения и вычисления.

IN(K) - чтение значения на входном контакте K.

OUT(Y,A) - запись значения A на выходной контакт Y.

PAR(P) - чтение значения СП модели; P - номер СП, по которому он описан в таблице ввода СП структурной части модели;

LN(А) - инверсия значения аргумента А.

LNA(А) - инверсия значения аргумента A - цифрового сигнала на контакте аналого- цифровой микросхемы.

LN(IN(K)) - инверсия значения цифрового сигнала на контакте K.

ADL(l1,L2) - алгебраическое сложение двух аналоговых значений; результатом является значение суммы (L1+L2) аргументов L1 и L2.

SUL(L1,L2) - алгебраическое вычитание двух аналоговых значений с проверкой переполнения и потери значимости; первый аргумент - вычитаемое; результатом является значение разности (L1-L2) аргументов L1 и L2.

MLL(L1,L2) - алгебраическое умножение двух аналоговых значений с проверкой переполнения; результатом является значение произведения (L1xL2) аргументов L1 и L2.

DIL(L1,L2) - алгебраическое деление нацело двух аналоговых значений с проверкой деления на ноль и потери значимости; первый аргумент - делимое; результатом является целая часть от деления L1 на L2, остаток при этом теряется.

CML(L1,L2) - сравнение (>,<,=) двух аналоговых значений; результатом сравнения аргументов L1 и L2 является:

1) 0, если L1 = L2;

2) 1, если L1 > L2;

3) -1, если L1 < L2.

(Сравнение аргументов используется в конструкциях: if (CML(L1,L2)>0), if (CML(L1,L2)<0), if (CML(L1,L2)=0).

OTR(A) - изменение знака аргумента (A) - аналогового значения сигнала.

TO64(A) - преобразование значения аргумента А из формата 32 бита (2 слова) в формат 64 бит (4 слова).

FROM64(A) - преобразование значения аргумента А из формата 64 бита (4 слова) в формат 32 бита (2 слова).

Определены следующие специальные константы:

1) аналоговые эквиваленты (в вольтах) логических уровней ИС ТТЛ технологии:

MIN0T - минимальное значение лог.0 (О в),

MAX0T - максимальное значение лог.0 (0,4 в),

MIN1T - минимальное значение лог.1 (2,4 в),

MAX1T - максимальное значение лог.1 (5,0 в);

2) аналоговые эквиваленты логических уровней ИС ЭСЛ технологии:

MIV0E - минимальное значение лог.0 (-1,85 в),

MAX0E - максимальное значение лог.0 (-1,52 в),

MIN1E - минимальное значение лог.1 (-1 в),

MAX1E - максимальное значение лог.1 (-0,81 в);

3) напряжение питания моделируемого устройства:

MINU - минимально допустимое значение,

MAXU - максимально допустимое значение;

4) константы, определяющие значения сигналов и СП:

NULL - нулевое аналоговое значение,

LOG1 - логический уровень '1',

LOG0 - логический уровень '0',

X - неизвестное (неопределенное) значение,

Z - высокоимпедансное состояние,

НЕТ - значение СП модели не задано.

Константы могут быть использованы при составлении функциональной модели. Например, OUT(Y,Z) - присваивание выходному контакту Y высокоимпедансного состояния;

OUT(Y,X) - присваивание выходному контакту Y неопределенного состояния;

OUT(Y,LOGO) - присваивание выходному контакту Y значение логического нуля.

5) константы, связанные с процессом моделирования всего устройства:

NN - номер текущего набора,

NI - номер текущей итерации.

Значения констант (1,2,3 и 5 групп) задаются в программе моделирования MODA и могут быть использованы при программировании функции элемента.

Специальные функции и константы описываются строчными латинскими буквами. Имена дpугих переменных могут быть произвольными, но не должны совпадать со специальными.

Допускается использовать функции стандартной библиотеки транслятора Туpбо-Cи [5]: ACOS, ASIN, ATAN, ATAN2, COS, COSH, EXP, LOG, LOG0, SIN, SINH, SQRT, TAN, TANH, CEIL, FABS, FLOOR,FMOD, FREXP, LDEXP, POW, POW10, HYPOT, POLY. Остальные функции не поддерживаются.

Проверка модели элемента

Проверка правильности работы созданной функциональной модели рекомендуется проводить в два этапа. На первом - проверить правильность программирования математического выражения, описывающего функцию ИС, а на втором - соответствие результатов вычислений по модели с описанием в справочной литературе функционирования рассматриваемого элемента.

Осуществляется проверка функционирования микросхемы на заданных входных воздействиях, проводится моделирование поведения элемента, а также проверка адекватности выходных данных модели поведению реального элемента.

В ходе выполнения проверки модели элемента необходимо:

- подготовить входные наборы таким образом, чтобы можно было проверить влияние каждого входа на выход злемента и его переключение;

- произвести проверку модели путем моделирования на заданных входных воздействиях (контролирующих тестах) и сравнить результаты моделирования с эталонными реакциями;

- откорректировать структурную и функциональную части модели, если результаты моделирования не совпадают с эталонными реакциями;

- оформить и защитить отчет по курсовому проектированию.

Для выполнения верификации модели необходимы следующие исходные данныеданные:

- исходное описание функционирования ИС из справочников;

- математическое выражение, описывающее функцию элемента;

- список входных, внутренних (если есть) и выходных контактов модели элемента и соответствующие им обозначения переменных в математическом выражении, описывающем функцию элемента;

- входные наборы - контролирующий тест, на котором будет выполняться проверка;

- эталонные реакции, т.е. вычисленные вручную значения функции элемента на заданных входных наборах (контролирующем тесте);

- функциональная модель элемента в БД.

Входные наборы подбираются таким образом, чтобы можно было проверить влияние значения каждого входа на выход злемента и его переключение. Рекомендуется задавать тест не более 30-40 наборов. При большой длине теста следует выбрать такое подмножество наборов, которое обеспечивает переключение всех выходов с 0 в 1 и с 1 в 0, а акже проверку влияния каждого отдельного входа хотя бы на один выход. В качестве входных наборов рекомендуется использовать входные воздействия, указанные в таблице истинности или таблице состояний в справочной литературе, либо задавать все возможные комбинации входных сигналов.

Для проверки правильности программирования функции элемента эталонные реакции определяются вручную подстановкой входных значений, заданных каждым набором теста в математическое выражение, описывающее функционирование элемента. Число эталонов должно соответствовать числу наборов в тесте.

При проверке адекватности модели эталоны следует определять из описания функционирования ИС в справочной литературе.

При задании значений выходных сигналов может использоваться алфавит {0, 1, X, Z}. При ручных вычислениях значений функций следует иметь в виду, что наличие Z на входе элемента с ТТЛ логикой эквивалентно подаче на этот вход сигнала с уровнем "логическая 1". В случае, когда значение сигнала неизвестно, используется специальный символ X алфавита моделирования.

Для проверки схем К155ЛП5, К155ИМ3 были сформированы в программе Excel тестовые отчеты и представлены в файлах прилагающихся к отчету. А тестовый набор для счетчика К155ИР13 был взят из справочника.

Отладка моделей происходит с помощью программы MODA.

Работа в режиме ПРОВЕРКА предполагает выполнение следующих действий:

- установите цветовой указатель на пункт ЗАГРУЗКА МОДЕЛИ и нажмите клавишу <Enter>, после чего курсор установится внизу экрана в цветовое окно, в котором сообщается имя модели. Если это требуемое имя, то его нужно подтвердить, нажав клавишу <Enter>, или ввести другое имя с последующим нажатием клавиши <Enter>;

- выберите пункт РЕЖИМ ПРОВЕРКИ должно появиться подменю 2-го уровня;

- выберите пункт ПОДГОТОВКА, нажмите клавишу <Enter> и установите цветовой указатель на пункт ВВОД-МОДЕЛИРОВАНИЕ. После чего курсор установится в цветовое окно с текстом ЗАДАЙТЕ КОЛИЧЕСТВО НАБОРОВ;

- введите количество входных наборов и нажмите клавишу <Enter>. На экране появится цветовое окно входов (с номерами входных контактов);

- введите входные наборы через окно входов. Ввод осуществляется по одному набору.

Для этого из набора берется значение на каждом входном контакте и вводится под соответствующим ему номером. Это могут быть значения из алфавита {0,1,Х,Z}. После заполнения значения на последнем контакте окна входов (т.е. ввода одного набора теста) на экране появляется цветовое окно выходов с результатами моделирования на данном наборе. В этом окне напротив номеров выходных контактов находятся значения сигналов, вычисленные по функциональной модели;

проверьте правильность запрограммированной функциональной модели. Для этого сравните результаты моделирования на этих наборах с эталонными реакциями, подготовленными ранее вручную. Если обнаружите несовпадение, то необходимо исправить ошибки в функциональной или структурной моделях.

Список используемых источников:

1. Справочник по микросхемам серии К155. Справочник. - Новосибирск: «Техническая библиотека инженера»,. 1991. 320 с.

2. И.Н. Букреев, Б.М. Мансуров, В.И. Горячев. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. -. М.:. «Советское радио»,. 1973. 264

3. Построение функциональных моделей интегральных схем. Методические указания.-Владивоток.: ДТИ, 1993. 40 с.

4. Ю.В. Малышенко Ю.В., Стыцюра Л.Ф. Построение моделей интегральных схем . Лабораторный практикум.-. Владивосток.: ДТИ, 1993 60 с.