Уровни и области моделирования

В зависимости от доступности инструментальных средств систем автоматизации проектирования (САПР) и других факторов, разработчики ЦУ могут использовать любой тип синтеза. Чем выше уровень автоматизации, тем быстрее и качественнее выполняется процесс синтеза. Исторически первым автоматизирован был синтез в физической области. Затем была решена проблема автоматизации логического синтеза. И относительно недавно автоматизирована задача автоматизации отображения с ЯРП уровня на логический уровень.

Приведенная многомерная иерархия отражает объективные взаимосвязи разных аспектов проектирования ЦУ и учитывается в методиках по организации процессов проектирования, а также реализуется в системах, поддерживающих автоматизированное проектирование. Сама организация процесса проектирования ЦУ также носит иерархический характер

В процессе проектирования на разных уровнях используются моделирование и синтез, которые являются взаимно дополняющими процедурами. Кроме этого, обычно на каждом уровне производится тестирование проектируемого (или изготовленного) цифрового устройства.

Проектирование ЦУ начинается с разработки технического задания, на базе которого строится функциональная схема, последовательно преобразуемая в реальное устройство. Моделирование на этом этапе используется для приведения функциональной схемы в соответствие со спецификациями.

Далее функциональная модель трансформируется в модель уровня языков регистровых передач, которая строится с использованием таких компонентов как регистры, модули памяти, операционные и управляющие автоматы. На следующем этапе выполняется синтез логических схем для каждого компонента. На уровне ЯРП и логическом уровне, как правило, используется моделирование для верификации проекта. В частности может быть использовано моделирование неисправностей, которое позволяет получать выходные реакции для дефектов, возникающих на этапах производства и эксплуатации. Если данные моделирования показывают на возможный высокий процент таких дефектов, то проект следует корректировать и обеспечить лучшую тестопригодность и восстанавливаемость.

Затем это описание ЦУ логического уровня преобразуется в схемы, после чего проектируется топология кристалла и на основе моделирования определяются реальные физические характеристики проекта, такие как площадь кристалла, временные соотношения и рассеиваемая мощность. По полученным данным можно проверить проектные нормы, определить параметры схемы и выполнить верификацию проекта.

Тестирование

В большинстве случаев тестирование можно рассматривать как эксперимент, в процессе которого на тестируемое устройство подается входное воздействие и снимается выходная реакция [ 1.4 ] , как показано на рис.1.6 .

Рис. 1.6. Тестируемое устройство

Обычно целью эксперимента является оценка технического состояния тестируемого устройства, например, в результате мы должны определить – устройство исправно или неисправно. При этом сравнивается выходная реакция тестируемого устройства с эталонной реакцией исправного устройства. Если реальная выходная реакция отличается от эталонной, то считается, что устройство неисправно.

В случае тестирования цифрового логического устройства входное воздействие называется тестовыми входными наборами, которые являются двоичными векторами. При этом каждый бит тестового набора подается на определенный вход (контакт) устройства. Выходные реакции, обычно, снимаются с выходных контактов устройства. Хотя в некоторых случаях возможно наблюдение сигналов в специальных контрольных точках внутри схемы, которые обычно для этого недоступны. Эталонные выходные реакции на тестовые наборы получают либо путем логического моделирования, либо записывают с выходов эталонного устройства. В первом случае необходимо создать модель схемы и выполнить моделирование на данной тестовой последовательности.

Тестирование проводится на различных этапах производства, что представлено в табл.1.2. Здесь приведены основные этапы производства интегральных схем - от изготовления кристаллов и подложки до их проектирования "Модели логических элементов" .

Обычно на этапе производства кристалл на подложке тестируется до первого несовпадения с эталонной реакцией, после чего неисправная компонента убирается. Здесь целью является как можно раннее обнаружение неисправных компонент и сокращение времени тестирования .

Если для некоторых компонент разработаны несколько функциональных тестов , то, как правило, первым запускается тест , проверяющий больше неисправностей. Обычно тесты ранжируются по своей эффективности на основе данных моделирования с неисправностями. Кристалл, прошедший тестирование на подложке, далее пакуется в корпус и снова тестируется, поскольку при этой операции возможно внесение дополнительных дефектов, которые должны быть обнаружены.

Часто интегральные схемы тестируются на максимально возможной рабочей частоте. Это объясняется тем, что стоимость некоторых ИС, например, микропроцессоров, зависит от их рабочей частоты. ИС, имеющие характеристики лучше на 10%, могут стоить дороже на 20-50%.

В случае не прохождения проверяющего теста , часто выполняется этап диагностики, где необходимо локализовать физический дефект с некоторой точностью. Для этого может понадобиться построить дополнительные тестовые наборы, которые помогут решить эту задачу. Следует отметить, что диагностика сильно зависит от доступного оборудования. Если для наблюдения доступны только внешние выходные сигналы (контакты разъема), то задача решается сложнее, чем в том случае, если есть возможность снимать информацию с некоторых внутренних контрольных точек, например, с помощью электронно-лучевого пробника. Диагностика выполняется чаще для цифровых схем на уровне печатных плат, где проще локализовать дефект и есть возможность заменить неисправную компоненту.

Следует отметить, что тестирование имеет большее значение для новых проектов на ранней стадии разработки нетипового устройства, поскольку в этом случае могут применяться новые технологии, непривычные производителю. Для стандартных проектов с отлаженной технологией часто обходятся выборочным тестированием отдельных изделий.

Отметим, что при тестировании устройства, прежде всего, необходимо решить три основных проблемы:

1. Найти тестовые воздействия.
2. Определить корректность выходных реакций.
3. Оценить эффективность входных воздействий.

При тестирований цифровых систем они реализуются на следующих этапах:

1. генерация проверяющих тестов ;
2. логическое моделирование исправных схем;
3. моделирование неисправностей;
4. Подготовка диагностической информации.

В соответствии с этим последующие лекции разбиты на четыре части:

1. Логическое моделирование исправных цифровых устройств;
2. Логическое моделирование неисправных цифровых устройств;
3. Построение проверяющих тестов ;
4. Сокращение диагностической информации.

Ключевые термины:

Область представления в проектировании ЦУ – поведенческая, структурная, физическая.

Уровень модели в проектировании - схемный, логический, языков регистровых передач, системный.

Тесты – специально организуемые входные воздействия для проверки ЦУ.

Тестирование – процесс проверки ЦУ.

Краткие итоги

Данная лекция является вводной в область проектирования ЦУ и показывает место моделирования и тестирования в САПР.

В разделе "Области и уровни проектирования" описаны области представления: поведенческая, структурная и физическая. Для каждой области описаны различные уровни моделирования, используемые в САПР: схемный, логический, языков регистровых передач и системный.

В разделе "Тестирование" рассмотрены основные виды и аспекты тестирования .

Вопросы и упражнения

1. Чем отличаются области проектирования от уровней моделирования?
2. Приведите основные области проектирования.
3. Приведите основные уровни моделирования цифровых устройств.
4. Чем различаются модели устройств и их спецификации?
5. Приведите свой пример трех областей проектирования для логического уровня.
6. Приведите свой пример различных уровней моделирования для структурной области проектирования.
7. В чем суть тестирования устройства?
8. На каких этапах производства интегральных схем используется тестирование ?
9. Назовите основные компоненты тестирования интегральных схем.