Mavzu: vlsi tizimlarini loyihalash

Mavzu: VLSI tizimlarini loyihalash.
Reja:

1. 
   Asosiy tushunchalar.
   
2. 
   Integral sxemalar (IS)ni loyihalash evolyusiyasi.
   
3. 
   Ierarxik loyihalash va ko’p sathli abstraksiyalar tushunchalari.
   
4. 
   IS narxi, ishonchliligi va tezligini miqdoriy baholash.
   

Tizim – bu o`zaro bog`liq va yagona maqsadga erishish uchun ma'lum qoida asosida o`zaro munosabatda bo`ladigan elеmеntlar to`plamidir. Bu elеmеntlar to`plami oddiy elеmеntlar yig`indisidangina iborat bo`lmay, har bir elеmеnt ham o`z navbatida tizim bo`lishi mumkin. Tizimlarni turli bеlgilarga ko`ra turkumlarga ajratish mumkin. Umuman olganda, tizimlar moddiy yoki mavxum bo`lishi mumkin (mavxum - inson ongi maxsuli).

Tizimlar tuzilishi bo`yicha oddiy yoki murakkab bo`lishi mumkin. Oddiy tizimlarni tashkil etuvchi elеmеntlar soni kam bo`lib, sodda tuzilishga ega bo`ladi. Murakkab tizimlar esa, bir nеchta elеmеntlardan tashkil topgan bo`lib bu elеmеntlar ham o`z navbatida alohida tizimlarga bo`linishi mumkin. Vaqt davomida o`zgarishga qarab tizimlar statik va dinamik turlarga ajratiladi. Statik tizimlar ma'lum vaqt oralig`ida o`z holatini saqlab qoladi. Dinamik tizimda esa, vaqt o`tishi bilan holat o`zgarib boradi. Tashqi muhit bilan bo`ladigan aloqasiga qarab ochiq yoki yopiq tizimlar bo`lishi mumkin. Ochiq tizimlar tashqi muhit bilan aktiv aloqada bo`ladi. Yopiq tizimlarning elеmеntlari esa tashqi muhitdan ta'sirlanmaydi.
«Tizim»ni aniqlashga quyidagi atamalar kiradi: «ob'еktlar», «aloqalar», «xususiyatlar». Ob'еktlar – tizimning bir bo`lagi yoki komponеntlari bo`lib, jismoniy, matеmatik o`zgaruvchan tеnglamalar, qoida va qonunlar, tеxnologik jarayonlar, axborot jarayonlari, ishlab chiqarish bo`linmalari kabi ko`plab chеklanmagan qismlarga ega. Xususiyatlar –bu ob'еktning sifatini ifodalovchi paramеtrlardir. Xususiyat tizimning ma'lum bir o`lchamga ega ob'еktlarini bittalab miqdoriy jihatdan bayon etish imkonini bеradi. Ob'еktlarning xususiyatlari tizim harakati natijasida o`zgarishi mumkin. Aloqalar ob'еktlar va ularning xususiyatlarini tizim jarayonida yagona yaxlitlikka birlashtiradi. Bunda barcha tizim elеmеntlarining kеnja tizimlari va tizimlar o`rtasida aloqa bo`lishi nazarda tutiladi. Ayrim umumiy qonuniyatlar, qoidalar yoki tamoyillar bilan birlashuvchilar o`rtasida aloqaning mavjud bo`lishi tizimning asosiy tushunchasi sanaladi. Boshqalar bilan biror-bir aloqaga ega bo`lmagan elеmеnt ko`rib chiqilayotgan tizimga kirmaydi. Tizimning xususiyatlari quyidagilar sanaladi: elеmеntlar murakkabligi, maqsadga qaratilganligi, turlitumanligi hamda ular tabiati, tarkiblashganligi, bo`linishligidir. Demak, tizim ta‘rifini quyidagicha berish mumkin.
Zamonaviy IC texnologiyasi yuz minglab tranzistorlarni o'z ichiga olgan chiplarni ishlab chiqarish imkonini beradi. Bunday miqyosdagi tizimlarni loyihalash hali ham qiyin. Tizim arxitektori tizimni qismlarga ajratish, ushbu tarkibiy qismlar uchun texnik shartlarni ishlab chiqish, quyi tizim interfeyslari uchun spetsifikatsiyalarni yozish va ularni tekshirish va butun tizimni qurish kabi qiyinchiliklarga duch keladi.
IC texnologiyasining yuqori darajasi tufayli endi murakkabligi va funksionalligi bo'yicha standart kichik, o'rta va katta integral mikrosxemalar (MIS, SIS va LSI) yordamida qurilgan eng yuqori unumdorlikdagi katta kompyuterlar bilan taqqoslanadigan yagona chipli protsessorlarni ishlab chiqarish mumkin. Bu Cray-1, IBM-360/91 va CDC-7600 kabi yirik kompyuterlarni ishlab chiqish juda uzoq vaqt talab qildi va natijada dizayn narxi juda yuqori edi. Qisqa umr ko'rish davri bilan birlashtirilgan past narx bilan ajralib turadigan mikroprotsessor uchun bunday katta dizayn xarajatlarini oqlash juda qiyin. Bundan tashqari, IC texnologiyasi shunchalik tez rivojlanmoqdaki, uzoq muddatli dizayn harakatlari va erishilgan sxemani optimallashtirish yangi, yaxshi texnologiya bilan bekor qilinishi mumkin.
VLSI dan ishlab chiquvchining g'oyalarini amalga oshirish vositasi sifatida foydalanish bir nechta asosiy qoidalarga rioya qilishni talab qiladi.
1. Kamchiliksiz - eng muhim dizayn vazifasi. Chip dizaynidagi xatolarni bartaraf etish juda qiyin va vaqt talab etadi. Sinov orqali kiritilgan o'zgarishlarning to'g'riligini darhol tekshirish mumkin emas, siz bir necha haftadan bir necha oygacha kutishingiz kerak. Bu bir vaqtning o'zida chip pallasida o'zgarishlarni to'plashni majbur qiladi va deyarli mukammal dizaynni talab qiladi.
2. Dizayn moslashuvchanligi darajasi nihoyatda yuqori: dizaynerlar tizimning mantiqiy tashkil etilishini, uning tarkibiy qismlarga bo'linishini, jismoniy joylashishini va hatto alohida tranzistorlar, harakatlantiruvchi kuchaytirgichlar va mantiqiy eshiklarning tafsilotlarini belgilaydi.
3. Bunday moslashuvchanlikka qaramay, yuqori darajadagi nuqsonlarni biron bir darajada yoki dizayn bosqichida qoplash qiyin.Bu cheklovlar texnologiyaning asosiy xususiyatlari bilan bog'liq (kristal hajmi, tarqalish kuchi va tezligi kabi parametrlarni cheklash) ), va yaratishdan qochish zarurati bilan; quyi darajadagi qo'shimcha qiyinchiliklar. Shu bilan birga, tezlik muammosi dizaynning barcha darajalari va bosqichlarida e'tiborga olinishi va hal qilinishi kerak.
Ushbu bobda biz umumiy maqsadli mikroprotsessorlarning dizayniga e'tibor qaratamiz. Muayyan texnik kelishuvlar farq qilishi mumkin bo'lsa-da, bu erda keltirilgan tushunchalar va usullar to'g'ridan-to'g'ri VLSI protsessorlariga tegishli.
MOS texnologiyalari endi keng tijorat maqsadlarida foydalanish uchun mikroprotsessorlarni ishlab chiqarish uchun asosiy texnologiyalar bo'lganligi sababli, biz bu erda asosan taqdim etamiz.
ushbu sxemalarni loyihalash metodologiyasi. Biz VLSI kompyuterini loyihalash muammosini bir-biri bilan chambarchas bog'langan bo'lsa-da, to'rtta alohida bosqich sifatida ko'rib chiqamiz: arxitektura spetsifikatsiyasini tuzish, protsessorning mantiqiy tashkilotini tanlash (mantiqiy dizayn), fizik dizayn va elektr (sxema) amalga oshirish.
Arxitektura spetsifikatsiyasi ko'rsatmalar to'plamini va protsessor foydalanuvchisiga ko'rinadigan barcha komponentlarning harakatini belgilaydi. U manzillash rejimlarini hisobga olgan holda registr tuzilishini, funktsional birliklarini va xotira qurilmalarini tavsiflaydi. Shuningdek, u tizimning alohida variantlari va ba'zi arxitekturalarda kiritish-chiqarish interfeysi tabiati va munosabatlarini tavsiflaydi. Arxitektura odatda amalga oshirishdan mustaqildir - bu u yoki bu texnologiyani tanlashga to'sqinlik qilmaydi, garchi u u yoki bu texnologiya turiga ko'proq mos kelishi mumkin.
Jismoniy dizayn - bu butun markaziy protsessor (CPU) va xotira tizimini ishlab chiqilayotgan mashina qurilgan jismoniy qismlarga: raflar, elektron platalar va chiplarga bo'lish jarayoni. VLSI paydo bo'lishi bilan jismoniy parchalanishning ushbu bosqichi yanada muhim rol o'ynay boshlaydi: kristallar chegaralarini kesib o'tishning yuqori nisbiy narxi bu chegaralarni aniqlashni o'ta mas'uliyatli vazifaga aylantiradi.
Bitta IC ichida funktsional bloklar tanlab olingan amalga oshirish texnologiyasiga xos bo'lgan o'zaro bog'lanish cheklovlarini hisobga olgan holda tanqis chip maydonidan eng samarali foydalanish uchun joylashtirilishi kerak. Funktsional bloklarni ularni amalga oshiruvchi mantiqiy sxemalarga parchalash vazifasini jismoniy loyihalash bosqichiga ham murojaat qilamiz.
Elektr dizayni deganda biz mantiqiy davrlarni tranzistorlar bilan elektr zanjirlariga aylantirish va topologiyani aniqlash bilan bog'liq vazifani tushunamiz. Biz yuqori tezlikda ishlashga erishish va quvvat sarfini va oyoq izini minimallashtirish muammolarini muvaffaqiyatli hal qilish uchun asosan zamonaviy ilg'or elektr zanjirlarini loyihalash usullari bilan shug'ullanamiz.

Protsessor dizayniga kompleks yondashuv bir vaqtning o'zida quyidagilarni ta'minlaydi:

1) arxitektura;
2) arxitektura ko'rsatmalar to'plamining samarali dekodlanishi va bajarilishini ta'minlaydigan va kremniyda yaxshi xaritalashadigan mantiqiy tuzilma va
3) mantiqiy tuzilmani kutilgan kritik yo'llarda qo'llaniladigan kontaktlarning zanglashiga olib (tezlik xususiyatlari oldindan ma'lum bo'lgan) chambarchas bog'laydigan vaqt diagrammasi.
Dizaynning turli bosqichlarining parallel rivojlanishi tufayli, ma'lum bir amalga oshirish texnologiyasining xususiyatlaridan ancha samarali foydalanadigan va shuning uchun ibtidoiy usullarda ishlab chiqilgan sxemalardan sezilarli darajada ustun turadigan tayyor sxemani olish mumkin bo'ladi.

Ma'lumotlarni qayta ishlash yo'lini loyihalashda,muhim tarkibiy yechimlar, qarorlar qabul qilish zarur, shu jumladan quyidagi masalalar bo'yicha:

1. Ma'lumotlar yo'lida nechta avtobus bo'lishi kerak?
2. U qanday funktsiya bloklarini o'z ichiga olishi kerak? Sizga ko'p registrli dumaloq o'tkazgich kerakmi yokioddiy bir bitli almashtirgich ishlaydimi?
3. Operatsiyani bajarish uchun maxsus asboblar kerakmi?butun va float sonlarni ko'paytirish va bo'lishqanday nuqta?
4. Ma'lumotlarni qayta ishlash yo'l bloklari uchun qaysi ish vaqtini tanlash kerak? Kirish vaqtlari va foydalanish stavkalarifoydalanish quvur liniyasi tuzilishiga mos kelishi kerak.
Quvur liniyasining tuzilishi talablarni ham belgilashi mumkinaylanish vaqti va komponentlar uchun kechikishlar bo'yicha;
ma'lumotlarni qayta ishlash yo'li.
5. Registr blokini qanday tashkil qilish kerak: foydalanish bilan uchun avtobus yoki saqlash qurilmasi sifatida foydalanish. Tasodifiy namuna olish (RAM)? Qancha port bo'lishi kerak?
6. Qanday turdagi arifmetik mantiq birligi (ALU)kerakmi? U kutilgan narsaga mos keladimi,kristallning jismoniy tuzilishi?