8) Bộ nhân nối tiếp
4.7 Đường dữ liệu Data paths
Một đường dữ liệu vừa là một cấu trúc lô-gic vừa là một cấu trúc vật lý: nó được xây dựng từ các thành phần thực hiện các thao tác dữ liệu thông thường, chẳng hạn như phép cộng; và nó có một cấu trúc layout sử dụng các ưu điểm của các thiết kế lô-gic thông thường của các toán tử (operator) dữ liệu. Các đường dữ liệu thông thường bao gồm một số loại phần tử: thanh ghi (các thành phần bộ nhớ) lưu trữ dữ liệu, các bộ cộng và các khối ALU thực hiện các phép tính số học, các thanh ghi dịch thực hiện các thao tác bit, các bộ đếm cũng có thể được sử dụng cho các phép đếm chương trình. Các bus (đường dẫn dữ liệu) kết nối các toán từ này với nhau.
144 Hầu hết các thao tác dữ liệu là các thao tác thông thường, ví dụ thao tác của các bộ cộng, khối ALU, thanh ghi dịch, và các toán tử khác có thể được xây dựng từ mảng các phần tử nhỏ hơn.
Câu hỏi và bài tập ôn tập chương:
1. Trong thiết kế hệ thống VLSI, có những chiến lược phân bố clock điển hình nào? So sánh ưu, nhược điểm của các phương pháp vừa nêu.
2. Nguyên tác thiết kế cấu trúc I/O?
3. So sánh ưu và nhược điểm của các bộ cộng điển hình đã học. 4. So sánh ưu và nhược điểm của các bộ đếm điển hình đã học. 5. So sánh ưu và nhược điểm của các bộ nhân điển hình đã học.
6. Trình bày phương pháp mã hóa Booth trong quá trình thực hiện phân tích thiết kế bộ nhân. 7. Trình bày phương pháp cây Wallace trong quá trình thực hiện phân tích thiết kế bộ nhân. 8. Nêu các lọa bộ ghi dịch thường dùng.
9. Trình bày cấu trúc hoạt động của một ô nhớ SRAM 3-T. 10. Xét một hàm lô-gic có mô tả :
a) Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL, Verilog, …) xây dựng thực hiện hàm mức cấu trúc
b) Lựa chọn cấu trúc MOSFET thích hợp thực hiện hàm F c) Phác họa layout của hàm F bằng hệ thống layout hình que
145
Chương 5 Các phương pháp Thiết kế hệ thống VLSI 5.1 Giới thiệu
Cách thức mà chúng ta thực hiện việc thiết kế một hệ thống cụ thể, một chíp, hoặc một mạch điện có ảnh hưởng lớn đến cả những cố gắng cần phải bỏ ra và kết quả của thiết kế. Các nhà thiết kế IC đã phát triển và sử dụng các chiến lược thiết kế từ các nguyên tắc của các ngành khoa học khác chẳng hạn như công nghệ phần mềm để tạo thành một tập chặt chẽ các nguyên tắc nhằm tăng sự tương đồng về thời gian, tính thành công của các thiết kế. Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét sơ lược các nguyên tắc này. Cần chú ý rằng, trong khi các nguyên tắc chung của thiết kế không thay đổi nhiều qua hàng thập kỷ, thì các quy định chi tiết của các kiểu thiết kế và các công cụ thiết kế đã có những bước phát triển mạnh mẽ cùng với sự phát triển của công nghệ và sự tăng mạnh về mức độ của năng suất sản xuất.
Một các tổng quát, một mạch tích hợp có thể được diễn tả theo các thành phần trong ba miền: (1) miền chức năng hoạt động (behavioral domain), (2) miền cấu trúc (structural domain), và (3) miền vật lý (physical domain). Miền chức năng hoạt động xác định những chức năng mà chúng ta mong muốn thực hiện với một hệ thống. Lấy ví dụ, ở mức độ cao nhất, chúng ta có thể mong muốn xây dựng một máy ra-đi-ô công suất cực thấp cho một mạng sensor phân tán. Miền cấu trúc cụ thể hóa các liên kết của các thành phần cần thiết để đạt được chức năng hoạt động mà chúng ta mong muốn. Trở lại với ví dụ về máy ra-đi-ô sensor, chúng ta cần thiết một sensor, một bộ phát đáp ra-đi-ô, một bộ vi xử lý, bộ nhớ (với phần mềm kèm theo), và một nguồn cung cấp được nối với nhau theo một cách thức xác định. Cuối cùng, miền vật lý cụ thể cách mà chúng ta sắp xếp các thành phần để kết nối chúng với nhau theo cách mà cho phép chúng sẽ tạo ra những chức năng mong muốn. Với ví dụ của chúng ta ở trên, chúng ta có thể bắt đầu với các chỉ tiêu kỹ thuật cho một khu vực ở đó đặt các thiết bị, tiếp theo đó là một loạt liên tiếp các bản vẽ vật lý hoặc các tiêu chí mà kết quả là các mô tả hình học được sử dụng để định ra một chíp. Việc thiết kế bắt đầu từ thiết kế chức năng cho đến thiết kế cấu trúc và cuối cùng là các thực hiện vật lý một vi mạch thông qua một loạt các biến đổi thủ công hoặc tự động. Tại mỗi bước biến đổi, tính đúng đắn của biến đổi đó được thử nghiệm và kiểm tra bằng cách so sánh nó với các thiết kế trước khi biến đổi và sau khi biến đổi. Chẳng hạn, nếu mức công suất được quy định trong mô tả chức năng hoạt động ban đầu cho thiết kế bộ ra-đi-ô sensor, một phép kiểm tra sẽ cần được thực hiện trên thiết kế ở miền cấu trúc với các phản hồi từ miền vật lý để đảm bảo mục tiêu của thiết kế được thỏa mãn.
Trong mỗi một miền kể trên có một loạt các lựa chọn thiết kế có thể được lựa chọn để giải quyết các vấn đề cụ thể. Ví dụ như ở mức chức năng hoạt động, chúng ta có thể chọn tiêu chuẩn không dây và dạng thức trong đó dữ liệu được truyền đi từ bộ ra-đi-ô sensor. Trong miền cấu trúc, chúng ta có thể lựa chọn một kiểu mạch đặc biệt nào đó, một họ lô-gic nào đó, hoặc một chiết thuật định thời (clock) nào đó để sử dụng. Tại mức vật lý, chúng ta có rất nhiều lựa chọn về cách thức một mạch được thực thi như chíp, các bản mạch, và các vùng đóng gói.
146 Các miền thiết kế vừa giới thiệu còn có thể được phân chia nhánh nhỏ hơn theo mức độ khác nhau về tính trừu tượng thiết kế. Mối quan hệ và sự phân chia các miền mô tả và các mức trừu tượng được minh họa trong lược đồ Gajshi-Kuhn Y như trong hình 5.1 [12]
Hình 5.1Lược đồ Gajski-Kuhn Y diễn tả sự phân chia các miền thiết kế