В статье рассматриваются основные методы моделирования цифровых узлов электронной аппаратуры, опирающиеся на описание цифровых интегральных схем (ЦИС) в разных широко распространенных форматах. Дается общая характеристика языков VHDL, AHDL, SPICE и IBIS-моделям ЦИС, указывается их назначение, область применения и возможности. В конце статьи делается общий вывод о перспективах развития методов моделирования цифровых устройств.
Введение
В настоящее время цифровые устройства применяются практически во всех областях приложений электронной техники. Достоинствами цифровых устройств является высокая точность их функционирования, сложные алгоритмы работы, хорошо отлаженная технология производства и т.д.
Цифровые системы и узлы (ЦУ), разрабатываемые сегодня, являются чрезвычайно сложными, и могут содержать сотни и тысячи цифровых интегральных схем [1]. В силу этого объем проектных работ становится настолько большим, что «ручное» ведение работ по созданию проекта нового ЦУ становится нецелесообразным. Действительно, сроки, отводимые на проектирование нового цифрового устройства, в настоящее время сократились до 6-12 месяцев. Столь жесткие временные требования обусловлены конкуренцией фирм-производителей электронной техники, и задержки с выводом на рынок новой продукции грозят фирмам крупными финансовыми потерями.
Применение информационных технологий и вычислительных систем и в проектировании началось в 70-х гг. XX в. [2]. Сейчас использование вычислительных систем является необходимой составляющей процесса проектирования подавляющего большинства ЦУ. Особое значение имеет моделирование. Оно позволяет создать виртуальный прототип будущего устройства и его частей, что дает возможность избежать необходимости использования макетов. Моделирование дает возможность установить работоспособность еще не созданного устройства и выявить его электрические и другие характеристики. Оно должно проводиться с использованием адекватных моделей всех элементов системы, в т.ч. и ЦИС.
Для возможности проведения моделирования ЦУ и получения адекватных результатов модели компонентов системы должны обладать определенными свойствами [1, 2]. Они должны быть экономичными, т.е. требовать при выполнении расчетов с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР) минимального количества машинной памяти, и быть достаточно простыми и точными. Последние два требования трудно сочетаются друг с другом, т.к. практика показала, что попытки учесть все характеристики электронных деталей приводят к столь существенному повышению размерности численной задачи, решаемой вычислительной системой или компьютером, что она не может быть решена даже для электронных устройств средней сложности.
Однако в практике моделирования далеко не всегда требуется получить предельно точный результат. В общем случае использование той или иной модели является компромиссом между ее сложностью и точностью отражения свойств радиоэлемента.
Задача моделирования цифровых узлов и систем может быть решена на основании моделей ЦИС, составленных разными способами. В зависимости от подхода и метода составления моделей они имеют разное назначение, сложность и точность описания электрических свойств и логики функционирования. В настоящей статье мы коснемся трех методов представления информации о ЦУ и ЦИС, на основании которой проводят моделирование цифровых узлов, и дадим их общую характеристику. Это язык описания электронных схем SPICE, языки спецификации логических систем VHDL и AHDL и формат IBIS представления данных об электрических свойствах ЦИС.
ЦИС как объект моделирования. Классификация моделей
Цифровые интегральные схемы представляют собой изделия микроэлектронной техники со сложным устройством. Они состоят из множества полупроводниковых ключей, которые при работе ЦИС находятся большую часть времени в открытом либо закрытом состоянии. Помимо ключей, которые иногда называют вентилями, схемотехника предусматривает наличие в ЦИС других пассивных и активных элементов. Схемы сложных интегральных устройств типа микропроцессоров, запоминающих устройства и др. состоят из сотен тысяч и миллионов элементов.
В зависимости от типа логики [3], в ЦИС применяются различные схемотехнические решения. Быстродействие микроэлектронных компонентов зависит от технологии производства, их схем и других факторов.
Таким образом, ЦИС имеют схему, определяющую совокупность выполняемых ими функций. Это обуславливает трудность проведения моделирования функционирования ЦУ.
Моделирование проводится на основании их математических моделей. Математическая модель [3] — это совокупность математических элементов (чисел, переменных, векторов и т.п.) и соотношений между ними, которые с требуемой для проектирования точностью описывают свойства проектируемого объекта. На каждом этапе проектирования используется своё математическое описание объекта, причём сложность его должна быть согласованна с возможностями анализа с применением вычислительных систем. Это приводит к необходимости иметь для одного объекта несколько моделей различного уровня сложности, что и характерно для всех указанных выше языков описания ЦИС при проектировании ЦУ.
Все математические модели могут быть по уровню сложности подразделены на полные модели и макромодели. Полные модели объекта проектирования получают путём непосредственного объединения моделей компонентов с формированием общей системы уравнений. Макромодели представляют собой упрощённые математические модели, аппроксимирующие полные.
Макромодели делят на две группы: факторные и фазовые модели. Факторные модели предназначены для использования на следующих этапах проектирования в качестве моделей компонентов. Фазовые модели используются на том же этапе проектирования, на котором их получают, и служат для сокращения размерности решаемой задачи.
По способу получения математические модели делят на физические и формальные. Физические модели получают на основе изучения физических закономерностей функционирования объекта, так что структура уравнений и параметры моделей имеют ясное физическое толкование. Формальные модели получают на основе измерения и установления связи между основными параметрами объекта в тех случаях, когда физика работы его известна не достаточно полно. Как правило, формальные модели требуют большего числа измерений и по своей природе являются локальными, справедливыми вблизи тех режимов, в которых производились измерения. Иногда такие модели называют «чёрным ящиком».
Для проведения моделирования цифрового устройства информация о содержащихся в нем ЦИС должна быть представлена в той или иной форме. Обычно фирмы-разработчики интегральных компонентов обеспечивают свободный доступ как к справочной информации (которой, безусловно, мало для выполнения точного моделирования) и к моделям ЦИС.
В настоящее время справочная информация по интегральным компонентам представляется в виде значений основных их параметров и графиков, а также предельных эксплуатационных характеристик. Естественно, что с увеличением сложности внутреннего устройства объем информации, необходимой для первоначального выбора ЦИС той или иной серии для использования в конкретном устройстве, существенно возрастает.
Информация, необходимая для моделирования ЦИС в составе какого-либо цифрового узла, также увеличивается в объеме с возрастанием сложности функционирования и внутреннего устройства. Она может быть представлена в виде таблиц, графиков, а также в текстовом формате.
В случае рассматриваемых нами основных языков моделирования SPICE, VHDL, AHDL и IBIS информация о функционировании и свойствах входящих в цифровой узел ЦИС представляется в текстовых формах, которые воспринимаются различными средствами автоматизированного проектирования. Ниже они будут рассмотрены подробнее.
Литература
- Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. — Под ред. Алексеева О.В. — М.: Высшая школа, 2000. — 478 с.
- Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства. — Пер. с англ.: Белоусов О.О. и др. — М.: Мир, 1987. — 528 с.
- Новожилов О.П. Цифровые устройства. — М.: МИЭМ, 1995. — 207 с.
Продолжение здесь.
Искренне Ваш, Главный научный сотрудник
P.S. Прошу подписываться на мой канал! Считаю, что мой опыт и научные достижения должны стать общедоступными. Только оригинальные статьи, собственные наработки!
