КаталогИндекс раздела
НазадОглавлениеВперед


АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СЛОЖНЫХ УСТОЙСТВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМОТЕХНИКЕ

Учебное пособие

© С.Ю.Леонов, Т.В.Гладких

1. Математическое моделирование как метод автоматизированного проектирования вычислительных устройств

Наиболее эффективным способом исследования работоспособности сложного вычислительного устройства является его моделирование. На сегодняшний день основными способами автоматизированного исследования работоспособности вычислительных устройств являются следующие: макетирование, физическое моделирование, аналитическое моделирование и математическое моделирования [13 - 15].

Неавтоматизированный расчет по заранее известным формулам или расчет по аналитическим выражениям, выполняется с помощью формул, связывающих выходные параметры интегральных схем (функциональные и изменяемые) с внутренними параметрами, т.е. параметрами их отдельных компонентов. При этом делаются значительные упрощения. Например, экспоненциальные вольтамперные зависимости считаются линейными.

Основные недостатки данного метода проектирования БИС - высокая трудоемкость вывода формул и, как правило, низкая точность расчетов. Основное достоинство - доступность.

Физическое моделирование представляет собой исследование объектов одной физической природы с помощью объектов, имеющих другую физическую природу, но при этом одинаковое с исследуемыми объектами математическое описание. В основе физического моделирования лежит обычно принцип электрофизических аналогий

Физическое моделирование при проектировании БИС используется редко. Оно может применяться для изучения сопутствующих работе схем, например, тепловых процессов, математическое моделирование которых слишком сложно и трудоемко. Одним из примеров применения физического моделирования является его использование при моделировании поля потенциалов в транзисторной структуре.

Натурное макетирование - один из наиболее старых способов проектирования РЭА. Его главное достоинство - максимальная достоверность результатов, обусловленная работой с реальными схемами, а не их приближенными моделями. Кроме того, макетирование характеризуется наглядностью получаемых результатов. В то же время макетирование имеет ряд крупных недостатков. Основные из них - высокая стоимость, длительность создания макета, ограничение возможности макетирования.

Метод моделирования на компьютере предполагает использование в качестве объекта отладки программной модели проектируемой системы. Этот метод является универсальным в том смысле, что модель может быть получена для вычислительной системы любой структуры и архитектуры. Наиболее широко применяемым методом проектирования является математическое моделирование [16 - 18].

Автоматизированное проектирование включает решение задач расчета, анализа, оптимизации и синтеза. Эти задачи называются проектными процедурами и имеют следующее содержание:

Наиболее сложными являются задачи параметрического и структурного синтеза. В общем случае синтезом называется генерация исходного варианта устройства, включая его структуру при структурном синтезе и получение его внутренних параметров при параметрическом синтезе. Полученное в результате синтеза устройство не обязательно должно быть наилучшим, но обязательно работоспособным. Если же полученное устройство - наилучшее по какому-либо из параметров, то такой синтез называется оптимальным. Однако в большинстве случаев устройство, полученное в результате синтеза, даже оптимального, требует доработки, чтобы удовлетворить многочисленным требованиям, учесть которые на стадии синтеза невозможно из-за их многообразия и сложности.

Под математическим моделированием обычно понимается составление математической модели устройства и ее использованием на ЭВМ в процедурах расчета, анализа, оптимизации и синтеза. Моделирование на ЭВМ имеет следующие преимущества:

  1. В задачах расчета с помощью модели можно найти выходные параметры схем или их характеристики, которые нельзя непосредственно измерить на макете из-за недоступности точек измерения, что особенно характерно для интегральных схем.
  2. В задачах анализа моделирование позволяет проанализировать выходные параметры и характеристики схемы в предельных и запредельных режимах, физическая реализация которых опасна для макета. Кроме того, моделирование позволяет достаточно точно выполнить анализ различных экстремальных и статистических характеристик схемы без запуска ее в серию, анализ воздействия на схему внешних условий без реальных климатических и других испытаний, анализ нереализуемых на макете зависимостей выходных параметров схемы от внутренних, например, зависимостей выходных параметров БИС от внутренних параметров элементов, что дает возможности иметь высокое качество проектирования.
  3. В задачах оптимизации возможности макета ограничены небольшим числом регулировочных элементов. При моделировании можно варьировать любыми управляемыми параметрами, добиваясь максимального улучшения выходных параметров.
  4. Роль моделирования в задачах синтеза состоит в проверке правильности функционирования синтезируемых схем путем расчета их математических моделей. С помощью моделирования это можно сделать гораздо быстрее, чем выполнить макетирование каждой синтезированной схемы.

Недостатком метода моделирования является меньшее относительно макета быстродействие программной модели отлаживаемой системы. Так, при моделировании на уровне системы команд на эмуляцию одной команды микропроцессорной системы приходится от нескольких десятков до нескольких сотен команд инструментальной ЭВМ. При функционально-логическом моделировании системы на уровне БИС затраты машинного времени, как правило, еще больше.

Тем не менее, использование машинных моделей микропроцессорных систем в качестве объекта отладки весьма эффективно вследствие их универсальности относительно типа отлаживаемых систем, отсутствия необходимости изготовления макета, возможности параллельного анализа нескольких технических решений.

Таким образом, реальный процесс автоматизированного проектирования РЭА обычно состоит из двух этапов:

  1. Неавтоматизированного синтеза структуры и эскизного, обычно тоже неавтоматизированного, по упрощенным формулам расчета ее параметров с целью получения работоспособного варианта РЭА, который будет играть роль начального приближения. Следует отметить, что в настоящее время ведутся работы по автоматизации этого этапа проектирования.
  2. Доводки полученного варианта до кондиций, соответствующих техническому заданию (ТЗ) с помощью программ автоматизированного проектирования.

Для исследования работоспособности вычислительных устройств различной сложности средствами персонального компьютера применяют различные методы математического моделирования, которые подвержены классификации в зависимости от типа проектируемого устройства [16, 19].

Так, для аналоговых вычислительных устройств, информация о работе которых заключена в различных характеристиках сигнала - форме, спектре и т.д., применяется схемотехническое моделирование, понимаемое как моделирование электрических процессов в электронных устройствах [20 - 23]. Для цифровых вычислительных устройств используются методы функционального моделирования (разбиение схемы на функциональные блоки), регистровых передач (детализация представления устройства не опускается ниже регистров, счетчиков и т.д.) и логического моделирования (детализация до уровня логических элементов) [20, 24]. Для моделирования гибридных устройств, имеющих в своем составе аналоговую и цифровую части, применяют комбинацию методов аналогового и цифрового моделирования [25, 26].

Современные САПР, такие как OrCAD-9.2, PCAD-2000, MicroSIM, MicroCAP позволяют выполнять моделирование аналогово-цифровых устройств в одном сеансе [27 - 30]. Для моделирования аналоговой части устройства применяются методы, связанные с решением систем обыкновенных дифференциальных уравнений, тогда как для цифровой части используются методы, ориентированные на моделирование стационарных процессов на уровне устойчивых состояний логического "нуля" и логической "единицы".

При моделировании аналоговых вычислительных устройств, преимущественно используется схемотехническое моделирование. Схемотехническое моделирование учитывает реальные физические ограничения в электрических процессах, то есть законы сохранения, к которым можно отнести законы сохранения заряда и работы. Из законов сохранения вытекают законы Кирхгофа, которые и представляют собой накладываемые физические ограничения и называются законами электрического равновесия. При моделировании аналоговых устройств возникает необходимость выполнения этих законов в каждой расчетной точке, что, в свою очередь, требует решения соответствующих уравнений электрического равновесия [31]. Таким образом, в математическую модель электронного устройства в схемотехническом моделировании входят не только модели отдельных элементов, которые описываются так называемыми компонентными уравнениями, и уравнения их связей, но и уравнения электрического равновесия, составляемые на основе законов Кирхгофа и называемые топологическими уравнениями. В общем случае, модель устройства при схемотехническом моделировании описывается системами компонентных и топологических уравнений.

Высокая степень строгости описания электронных схем позволяет получить достаточно точные сведения о процессах, протекающих в исследуемом устройстве, но с другой стороны это влечет увеличение временных затрат на моделирование и повышение объемов необходимых ресурсов памяти из-за необходимости решения уравнений равновесия.

2. Использование логического моделирования в схемотехническом проектировании вычислительных устройств

Наиболее распространенным способом исследования работоспособности моделируемых цифровых устройств является логическое моделирование [14, 18]. Главной задачей логического моделирования является оценка качества предлагаемого варианта функциональной схемы проектируемого устройства. На первом этапе исследуется схема на соответствие заданным функциям без учета задержек сигналов, ограничений элементной базы и внешних условий. Подобная проверка не требует больших затрат машинного времени и позволяет выявить ошибки в структуре устройства, допущенные при его синтезе. Вторым этапом исследования является проверка работоспособности устройства с учетом задержек элементов, составляющих его структуру, и воздействий различных дестабилизирующих факторов. Этот анализ дает возможность выявить критические состязания сигналов, возникающие в асинхронных схемах, а так же причины других сбоев.

При логическом моделировании могут решаться задачи проверки логики работы схем, анализ переходных процессов, определение надежности работы схем в зависимости от разброса параметров комплектующих элементов, генерация тестов и т. д. В зависимости от поставленной задачи выбирается метод моделирования. Основными отличительными чертами методов являются: способ учета времени и распространения сигнала в схеме, способ кодирования сигналов, способ построения модели в компьютере, очередность моделирования элементов. В зависимости от способа учета времени распространения сигнала методы делятся на синхронный (без учета задержек в элементах схемы) и асинхронный (с учетом задержек). В зависимости от способа представления сигналов - на двоичный и многозначный (троичный, пятизначный и др.); по способу организации работы программы - на метод компиляции и метод интерполяции; по организации очередности моделирования - сквозной и событийный.

В логическом моделировании оперируют понятиями моделей элементов, которые представляют собой законченную часть логической схемы устройства, то есть отдельные комбинационные схемы типа И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.п. или их более сложные комбинации. При этом используются функциональные модели элементов, то есть представление элементов в виде "черных ящиков", для которых связь между входными и выходными сигналами задается в виде булевых уравнений, таблиц истинности или описывается другими способами. Простейшие элементы, составляющие базу данных, используются для описания более сложных устройств.

В логическом моделировании принято представление сигналов в виде логических нулей и единиц. При этом за один из логических уровней принимается "0", а за другой "1". Также часто используется представление сигналов, обозначаемых "0", "1" и "X", где "0" и "1" имеют обычный смысл, а "X" обозначает либо переход из одного устойчивого состояния в другое, либо неопределенное состояние [32]. При таких условиях осуществляется троичное моделирование. В системах более детального моделирования используется большее число символов для обозначения различных состояний элементов. При этом для моделирования устройств, содержащих микропроцессорные элементы, в сигналах выделяют высокоимпедансное состояние, в которое переходит цепь, когда она отключена от источника питания. Все эти способы представления логических сигналов относятся к, так называемому, многозначному представлению на уровне переключения. Вообще, можно отметить два основных типа интерпретации понятия "многозначность": многозначность по виду переключения логических сигналов и многозначность как квантование логического сигнала по уровню.

К первому типу можно отнести такие методы многозначной логики, которые основаны на использовании кроме значений "0" и "1" булевой алгебры различных представлений событийных сигналов [33, 34]:

Второй тип многозначности связан с квантованием сигнала по уровню, когда каждой определенной амплитуде сигнала между двумя устойчивыми состояниями логического "0" и "1" присваиваются определенные значения (например, в виде десятичного числа или двоичного кода). Дальнейшая обработка сигналов в системах моделирования сводится к работе с этими значениями [35 - 37]. В работе [35] рассматриваются возможности моделирования вычислительных устройств с использованием трехуровневого квантования логических сигналов. Такой подход позволяет увеличить точность исследования за счет использования некоторого промежуточного значения между состояниями "логического нуля" и "логической единицы" по сравнению с булевым методом моделирования, но недостаточен для анализа работоспособности сложных вычислительных устройств. Для увеличения точности моделирования прибегают к увеличению числа шагов квантования, что, однако, предполагает необходимость большого объема вычислений, который невозможно обеспечить для большинства устройств современной вычислительной технике.

Существует также понятие о многозначности, связанное с работой многостабильных элементов [38, 39], но здесь многозначность определяется технологией электронной реализации этих элементов, а не способом их логического моделирования. Кроме того, такие элементы в настоящее время имеют очень небольшое распространение.

В методах, основанных на аппарате дифференциальных булевых уравнений, в булевы функции непосредственно вводится дискретная временная функция, а изменения булевых функций во времени оценивается с помощью производной функции по времени. Алгоритм выполнения анализа схем с помощью этого метода достаточно сложен, но позволяет выявлять соотношения задержек в состязающихся цепях, которые определяют наличие или отсутствие сбоя, то есть возможно получение рекомендаций для корректировки влияния состязаний [40]. Однако использование при таком методе моделирования двоичного алфавита дает возможность исследовать только временные параметры переключения логических сигналов, но не учитывать качественные и количественные параметры самого переходного процесса переключения.

Известно, что при моделировании сложных устройств всегда существует опасность появления временного рассогласования входных сигналов элемента, которое может привести к появлению ложного сигнала на выходе логического элемента, - динамические и статические риски сбоев [41 - 44]. Различные САПР в зависимости от заложенных в них методов моделирования по-разному индицируют появление такого рода ситуации. При этом двоичные методы моделирования оказываются несостоятельными при анализе не только динамических, но и статических рисков сбоев. В САПР, в которых реализована возможность использования многозначных моделей для представления сигналов первого типа, выполняется только индикация рисков сбоев.


НазадОглавлениеВперед
КаталогИндекс раздела