Podręcznik

Oczywistym sposobem zmniejszenia pracochłonności projektowania jest budowanie topografii układu nie z pojedynczych tranzystorów, lecz z wcześniej zaprojektowanych bloków o sprawdzonym działaniu, które można używać wielokrotnie w różnych projektach. Ta koncepcja doprowadziła do powstania stylu projektowania zwanego stylem komórek standardowych (ang. standard cells). Komórka standardowa jest to blok funkcjonalny (cyfrowy lub analogowy) do wielokrotnego wykorzystania, którego topografia została zaprojektowana w specjalny sposób. Topografia każdej komórki mieści się w prostokącie, którego jeden wymiar (wysokość) jest standardowy – dla wszystkich komórek taki sam. Drugi wymiar jest dla różnych komórek różny, zależny od schematu elektrycznego komórki, liczby i wielkości elementów. Standardowe jest również rozmieszczenie doprowadzeń zasilania i masy. Są one realizowane jako szyny przechodzące przez całą szerokość komórki w jej dolnej i górnej części – rysunek 4-11.

Rysunek 4 11. Schemat budowy komórki standardowej

 

Jeśli ustawić dwie komórki obok siebie w taki sposób, by ich pionowe krawędzie zetknęły się, szyny zasilania i masy zetkną się i połączą elektrycznie. Dzięki temu długi rząd komórek stykających się pionowymi krawędziami (które mają jednakową długość) ma gotowe połączenia masy i zasilania. Wejścia i wyjścia wyprowadzone są w kierunku poziomych krawędzi. Połączenia sygnałowe między komórkami ustawionymi w rzędy prowadzone są w obszarach pomiędzy rzędami, zwanych kanałami. Zazwyczaj w kanałach wszystkie odcinki pionowe połączeń prowadzone są w jednej warstwie metalu, a poziome - w drugiej. Jeśli dana technologia dysponuje większą liczbą warstw połączeń (co w technologiach najbardziej zaawansowanych jest regułą), to połączenia mogą być także prowadzone ponad obszarami komórek, co znacznie zmniejsza powierzchnię układu. Rysunek 4-12 pokazuje schematycznie topografię układu zbudowanego z komórek standardowych, a rysunek 4-13 przedstawia fragment projektu topografii rzeczywistego układu.

 

Rysunek 4 12. Zasada budowy topografii układu z komórek standardowych

 

Rysunek 4 13. Fragment topografii układu zbudowanego z komórek standardowych

 

Projektowanie topografii zbudowanej z komórek standardowych może odbywać się całkowicie automatycznie, i to jest wielka zaleta tego stylu projektowania. Projekt powstaje w trzech etapach:

• przydział komórek do rzędów,
• ustawienie kolejności komórek w rzędach,
• zaprojektowanie połączeń.

Każdy z tych trzech etapów można dość łatwo zalgorytmizować. Istnieje wiele systemów projektowania umożliwiających automatyczne zaprojektowanie topografii w stylu komórek standardowych, jeśli dany jest schemat logiczny układu. Schemat taki nie może być oczywiście zupełnie dowolny. Musi on być zbudowany wyłącznie z bramek logicznych, dla których istnieją odpowiednie komórki standardowe. Biblioteki komórek standardowych dostarcza każdy producent układów cyfrowych CMOS. Można oczywiście także zaprojektować samemu takie komórki, ale jest to pracochłonne, ponieważ odbywać się musi w stylu full custom. Ponadto komórki muszą być scharakteryzowane, tzn. każda z nich musi mieć znane parametry elektryczne, takie jak czasy opóźnienia sygnału, pojemności wejściowe, pobór prądu itd. 

Automatyczna synteza topografii układu w stylu komórek standardowych przy równoczesnym wykorzystaniu istniejących dziś metod automatycznej syntezy układów logicznych umożliwia zautomatyzowanie całego procesu projektowania. Najpierw na podstawie opisu behawioralnego układu wyrażonego w języku opisu sprzętu (Verilog, VHDL) wykonywana jest (w kilku etapach) automatyczna synteza schematu logicznego. Następnie schemat ten służy do automatycznego zaprojektowania topografii w stylu komórek standardowych. W ten sposób można uzyskać projekt układu przy minimalnym udziale człowieka. Oznacza to nie tylko olbrzymie zmniejszenie nakładów pracy, ale i wyeliminowanie możliwości popełnienia błędów, zgodnie z zasadą „correctness by construction”. Dzięki możliwości pełnej automatyzacji projektowania większość cyfrowych układów scalonych jest obecnie projektowania w całości lub w znacznej części w stylu komórek standardowych. Przy automatycznej syntezie układu punkt ciężkości pracy projektanta przenosi się na sporządzenie możliwie najlepszego opisu behawioralnego w języku opisu sprzętu. Tę samą funkcję układu można opisać na wiele sposobów. Jak już wiemy, nie każdy opis nadaje się do automatycznej syntezy układu, nawet jeśli jest całkowicie prawidłowy. Ponadto jakość zaprojektowanego automatycznie układu w bardzo dużym stopniu zależy od umiejętnego sformułowania opisu jego funkcji. Jest tu pewna analogia z tradycyjnym programowaniem. Wiadomo, że jeden i ten sam algorytm można opisać w języku programowania na wiele sposobów, dających w rezultacie programy niekiedy bardzo różniące się pod względem sprawności obliczeniowej, dokładności itp. Niestety, nie ma miejsca tutaj na rozwijanie tego skądinąd bardzo ciekawego i ważnego tematu.

W bibliotekach komórek standardowych istnieją też komórki analogowe, toteż ten styl projektowania umożliwia zaprojektowanie niektórych układów analogowych lub mieszanych (analogowo-cyfrowych). Jednak układy analogowe są tak dalece zróżnicowane pod względem funkcji i wymagań technicznych, że w bardzo wielu przypadkach nowy układ analogowy trzeba projektować całkowicie od początku, bowiem istniejące komórki nie nadają się do wykorzystania.

W porównaniu ze stylem full custom styl komórek standardowych ma też pewne ograniczenia i wady. Skończony zbiór komórek w bibliotece nie zawsze umożliwia pełną optymalizację projektu logicznego. Komórki projektuje się w taki sposób, aby były możliwie uniwersalne, tj. aby można było z nich zestawiać jak z klocków układy o dowolnych schematach logicznych. Takie uniwersalne komórki nie są zaprojektowane optymalnie z punktu widzenia szybkości działania, powierzchni czy też poboru mocy. Toteż spotyka się projekty, w których niewielkie, a krytyczne dla parametrów układu fragmenty są starannie zoptymalizowane i zaprojektowane w stylu full custom. Projekt w stylu komórek standardowych ma też z reguły większą powierzchnię niż dobrze zrobiony projekt w stylu full custom. Doświadczenie pokazuje, że typowy projekt zbudowany z komórek standardowych da nam układ działający wolniej o kilkadziesiąt procent oraz zajmujący o kilkadziesiąt procent większą powierzchnię, niż ten sam układ zaprojektowany w stylu full custom. Jeśli jednak pamiętamy o olbrzymiej pracochłonności projektów w stylu full custom, to staje się jasne, dlaczego styl komórek standardowych stał się dominujący w projektowaniu układów cyfrowych.