Ε.Μ.Π. - ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΫΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ VLSI 1 η Εργαστηριακή άσκηση Σχεδίαση σχηματικών διαγραμμάτων σε επίπεδο τρανζίστορ και προσομοίωση με το πρόγραμμα DSCH ΑΘΗΝΑ 4/11/2014 1
1 Εισαγωγή Η κατασκευή ενός ψηφιακού ολοκληρωμένου συστήματος με τεχνολογία πολύ υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) είναι μια πολύπλοκη διεργασία που απαιτεί αρκετό χρόνο και χρήματα. Όσο μειώνονται οι διαστάσεις ολοκλήρωσης τόσο αυξάνει το κόστος κατασκευής και συνεπώς, τόσο πιο σημαντική είναι η σωστή σχεδίαση, με χρήση κατάλληλων μεθοδολογιών. Το αντικείμενο της παρούσας άσκησης είναι η σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων με σχηματικά διαγράμματα επιπέδου τρανζίστορ σε σχετικό περιβάλλον εργασίας (εργαλείο DSCH). 2 Τύποι τρανζίστορ και συνδεσμολογίες αυτών Τα τρανζίστορ τεχνολογίας MOS (Metal-Oxie-Semiconuctor) διακρίνονται σε τρανζίστορ τύπου n (nmo) και τρανζίστορ τύπου p (pmo), ανάλογα με τον τύπο του ημιαγωγού πάνω στο οποίο κατασκευάζονται. Τα τρανζίστορ nmo κατασκευάζονται σε ημιαγώγιμο υπόστρωμα τύπου n (πλεόνασμα ηλεκτρονίων) ενώ τα τρανζίστορ pmo σε ημιαγώγιμο υπόστρωμα τύπου p (πλεόνασμα οπών). Η λειτουργία και των nmo και των pmo τρανζίστορ μπορεί να θεωρηθεί οτι προσεγγίζει έναν ιδανικό διακόπτη, ο οποίος όταν εφαρμοστεί κατάλληλη τάση στον ακροδέκτη πύλης (gate) του τρανζίστορ επιτρέπει ή όχι τη διέλευση ρεύματος μεταξύ των άλλων δύο, της πηγής (ource) και της υποδοχής (rain). Μια σημαντική διαφορά των nmo από τα pmo είναι οτι τα πρώτα επιτρέπουν τη διέλευση ρεύματος όταν η πύλη βρίσκεται σε υψηλό δυναμικό (1) ενώ τα δεύτερα όταν βρίσκεται σε χαμηλό (0). Η βασική λειτουργία των τρανζίστορ nmo και pmo παρουσιάζεται στο σχήμα 2.1. Οι διαφορετικές συνδεσμολογίες τρανζίστορ nmo και pmo επιτρέπουν την δημιουργία βασικών ψηφιακών πυλών. Για παράδειγμα, στο σχήμα 2.2 εικονίζεται η συνδεσμολογία και η λειτουργία ενός αναστροφέα MOS, με ένα τρανζίστορ nmo και ένα pmo. Η τεχνολογία υλοποίησης με nmo και pmo στο ίδιο κύκλωμα ονομάζεται CMOS (Complementary Metal-Oxie-Semiconuctor), συνήθως συνδέει τα nmo που είναι ικανα να φέρουν «ισχυρό» 0 στην τάση GND και τα pmo που είναι ικανά να φέρουν «ισχυρό» 1 στην τάση VDD και δεν επιτρέπουν σε κατάσταση ηρεμίας τη διέλευση ρεύματος από GND σε VDD (και συνεπώς την κατανάλωση μεγάλης στατικής ισχύος). Επίσης, οι διαφορετικές περιπτώσεις εν σειρά και παράλληλης συνδεσμολογίας nmo και pmo καθώς και η λειτουργία τους παρουσιάζεται στα σχήματα 2.3, 2.4, 2.5 και 2.6. g = 0 g = 1 nmos g OFF ON pmos g ON OFF Σχήμα 2.1: Η λειτουργία των τρανζίστορ nmo και pmo V DD V DD V DD A Y ON A=0 Y=1 OFF OFF A=1 Y=0 ON GND GND GND Σχήμα 2.2: Η λειτουργία του αναστροφέα MOS 2
Σχήμα 2.3: Συνδεσμολογία nmo σε σειρά Σχήμα 2.4: Συνδεσμολογία nmo παράλληλα Σχήμα 2.5: Συνδεσμολογία pmo σε σειρά Σχήμα 2.5: Συνδεσμολογία pmo παράλληλα 3 Το πρόγραμμα DSCH Σκοπός της πρώτης εργαστηριακής άσκησης είναι η δημιουργία και η προσομοίωση σχηματικών διαγραμμάτων σε επίπεδο τρανζίστορ με χρήση του προγράμματος DSCH. Το πρόγραμμα DSCH μαζί με το πρόγραμμα MICROWIND (θα μας απασχολήσει από τη δεύτερη άσκηση και μετά) - 3
http://www.microwin.net - ξεκίνησε στο Πανεπιστήμιο Intitut National e Science Appliquée (INSA) στην Touloue της Γαλλίας σαν ακαδημαϊκό βοήθημα για το αντίστοιχο μάθημα. Οι αρχικές του εκδόσεις είχαν αρκετές ελλείψεις και ακολουθούσαν απλουστευμένη μεθοδολογία σχεδίασης. Τα τελευταία χρόνια όμως και σε συνεργασία με την εταιρεία κατασκευής ημιαγωγών και ψηφιακών κυκλωμάτων STMicroelectronic (http://www.t.com), έγιναν εμπορικά πακέτα λογισμικού και βελτιώθηκαν σημαντικά. Το κύριο πλεονέκτημά τους σε σχέση με άλλα ανταγωνιστικά εργαλεία είναι η συμπαγής λειτουργία δηλαδή, όλες οι βασικές εντολές σχεδίασης καλύπτονται από ένα κύριο πρόγραμμα με ένα μενού επιλογής εντολών και μία γραμμή εργαλείων. Με το πρόγραμμα DSCH μπορείτε να σχεδιάσετε και να προσομοιώσετε πολύπλοκα σχέδια ψηφιακών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας τρανζίστορ, λογικές πύλες αλλά και πιο σύνθετες μονάδες. Η κεντρική οθόνη του προγράμματος DSCH εικονίζεται στο σχήμα 3.1 που ακολουθεί. Γραμμή εργαλείων Χώρος σχεδίασης Γραμμή μηνυμάτων Πίνακας εξαρτημάτων Σχήμα 3.1: Η κεντρική οθόνη του DSCH Η κεντρική και κύρια οθόνη του προγράμματος DSCH περιλαμβάνει όλα τα στοιχεία που βοηθούν στo σχεδιασμό σχηματικών διαγραμμάτων. Το μεγαλύτερο μέρος της αποτελεί το χώρο σχεδίασης πάνω στον οποίο πρέπει να σχεδιαστούν τα απαιτούμενα εξαρτήματα και οι διασυνδέσεις του σχηματικού διαγράμματος. Όπως στα περισσότερα προγράμματα έτσι και το DSCH περιλαμβάνει μενού επιλογής εντολών, γραμμή εργαλείων και γραμμή μηνυμάτων. Επίσης περιλαμβάνει έναν πίνακα εξαρτημάτων, ο οποίος αποτελείται από δύο καρτέλες, μια για βασικά και μια για προηγμένα εξαρτήματα. Οι βασικές σχεδιαστικές λειτουργίες και λειτουργίες ελέγχου του προγράμματος DSCH μπορούν να εκτελεστούν πατώντας τα κουμπιά της γραμμής εργαλείων. Στον παρακάτω πίνακα δίνεται μια συνοπτική περιγραφή για το καθένα. 4
Κουμπί Λειτουργία Ανάκτηση αρχείου σχεδίου. Αποθήκευση αρχείου σχεδίου. Αντιστοίχιση σχηματικού διαγράμματος με νέο σύμβολο που το περικλείει. Επιλογή αντικειμένου. Διαγραφή στοιχείων από το σχέδιο που επιλέγονται είτε με απλό πάτημα στο αριστερό πλήκτρο του ποντικιού είτε περικλείοντάς τα σε ένα παραλληλόγραμμο με τη βοήθεια του ποντικιού. Αντιγραφή στοιχείων από το σχέδιο που επιλέγονται περικλείοντάς τα σε ένα παραλληλόγραμμο με τη βοήθεια του ποντικιού. Μετακίνηση στοιχείου ή τμήματος σχηματικού διαγράμματος. Στροφή στοιχείου ή τμήματος σχηματικού διαγράμματος προς τα αριστερά. Στροφή στοιχείου ή τμήματος σχηματικού διαγράμματος προς τα δεξιά. Συμμετρική μετατόπιση στοιχείου ή τμήματος σχηματικού διαγράμματος ως προς κατακόρυφο άξονα. Συμμετρική μετατόπιση στοιχείου ή τμήματος σχηματικού διαγράμματος ως προς οριζόντιο άξονα. Τοποθέτηση κειμένου στο σχέδιο. Τοποθέτηση αγώγιμου δρόμου. Τοποθέτηση κόμβου σύνδεσης σε αγώγιμους δρόμους που τέμνονται. Έναρξη προσομοίωσης. Απεικόνιση της γραφικής παράστασης της προσομοίωσης. Μεταβολή της εστίασης στο σχέδιο ώστε να είναι ορατά όλα τα στοιχεία που έχουν κατασκευαστεί. 5
Αύξηση της εστίασης στο σχέδιο. Μείωση της εστίασης στο σχέδιο. Απομόνωση επιμέρους δικτυωμάτων του σχεδίου. Εμφάνιση πίνακα εξαρτημάτων. Μετακίνηση του σχεδίου αντίθετα από την επιλεγμένη κατεύθυνση. Ο πίνακας εξαρτημάτων αποτελεί το δεύτερο βασικό σχεδιαστικό εργαλείο του προγράμματος DSCH. Η μορφή του δίνεται στο σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2: Η πίνακας εξαρτημάτων. Τα εξαρτήματα που υπάρχουν στον πίνακα σχεδιάζονται σύροντάς τα με το ποντίκι. Στη συνέχεια, τα συνδέουμε χρησιμοποιώντας τα σχετικά κουμπιά της γραμμής εργαλείων. Τα πιο πολύπλοκα εξαρτήματα, όπως οι σύνθετες ψηφιακές πύλες, απαιτούν κατά τη σχεδίαση και τον ορισμό των προκαθορίσμένων παραμέτρων τους. Στα εξαρτήματα συμπεριλαμβάνονται και στοιχεία που καθορίζουν εισόδους (κουμπί, ρολόϊ) αλλά και στοιχεία που εμφανίζουν εξόδους (λυχνίες, οθόνες). Τέλος, ο πίνακας εξαρτημάτων αποτελείται από δύο καρτέλες, μια με βασικά και μια με προηγμένα εξαρτήματα. Για την πρώτη εργαστηριακή άσκηση θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε μόνο τρανζίστορ nmo και pmo, τάσεις πόλωσης VDD και GND και εξαρτήματα εισόδων/εξόδων. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Στο σχεδιαστικό εργαλείο DSCH να δοθεί προσοχή στην τοποθέτηση και σύνδεση των τρανζίστορ nmo και pmo, των οποίων η πηγή και η υποδοχή είναι σε συγκεκριμένη θέση και δεν εναλλάσσονται. Αν λοιπόν εμφανίζονται αδικαιολόγητα σφάλματα εντοπίστε, μέσω της προσομοίωσης, τα προβληματικά σημεία και ελέγξτε μήπως έχουν τοποθετηθεί ή συνδεθεί με ανάποδη κατεύθυνση τα συγκεκριμένα τρανζίστορ. 6
4 Τα ζητούμενα της εργαστηριακής άσκησης Να γίνει σχεδίαση και προσομοίωση σχηματικών διαγραμμάτων επιπέδου τρανζίστορ των παρακάτω κυκλωμάτων (το 6 ο κύκλωμα: ακμοπυροδότητο flip-flop είναι προαιρετικό). 1. Πύλη NAND 2. Πύλη NOR 3. Πύλη μετάδοσης In c Out 7
4. Πολυπλέκτης 5. Μανδαλωτής (στο θετικό μέτωπο του σήματος CLK) όπου συμβολίζουν αναστροφέα και πύλη μετάδοσης αντίστοιχα. 6. Ακμοπυροδότητο flipflop (στη θετική ακμή το σήματος CLK) 8