8位移位寄存器的电路设计与版图实现Word格式文档下载.docx
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Shiftregister,S-Edit
1前言
1.1课题的背景和目的
随着科技的进步,近几个世纪寄存器技术不断成熟,在数字电路中,寄存器已经是一个经常被提出的概念,它主要指的是用来存放二进制数据或者代码的电路。
由于工作原理以及功能的不同,寄存器又被人们划分成为基本寄存器和移位寄存器。
前者最主要的辨识方式就是它只能采用并行的方式来进行送入数据的过程,而我们常说的移位寄存器则主要作用则是集中在让其所储存的N位制代码在它产生的移动脉冲的作用下产生依次位移上面。
移位寄存器一般都是用二进制的形式来保存数据。
掌握基本的电路设计知识是电科专业学生最应该具备的基础,利用所学TannerEDA软件技术知识解决各种电路设计以及版图设计更是将所学和实践融会贯通[1]。
目前,基于TannerEDA技术的电路设计已经在该领域中取得了较为突破的发展,主要是借助了L-Edit等软件的强大功能以及传统的数学及电路知识,在软件平台上成功实现8位移位寄存器的电路设计以及版图实现。
1.2课题的设计内容
1.根据8位移位寄存器的工作原理分析其电路结构,初步完成电路设计。
2,在TannerEDA中的S-Edit软件平台上调用各种电路元件符号绘制出其电路图,并对绘制出来的电路图进行仿真得出输入及输出波形。
3.在L-edit平台上进行寄存器的版图设计并对绘制出的版图进行仿真。
4,对仿真出的输入及输出波形图进行分析,观察是否与预期结果相同,完成课题设计。
2设计软件简介
2.1EDA技术的介绍
现代电子设计技术的核心是EDA(ElectronicDesignAutomation)技术[2]。
EDA技术是依赖功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言HDL(hardwaredescriptionlanguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合、结构综合(布局布线),以及逻辑优化和仿真测试,直至实现既定的电子线路系统功能[3]。
EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现[2]。
EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等;
在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念;
而在现代电子学方面则容纳了更多的内容,如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。
因此EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性[3]。
在现代技术的所有领域中,得以飞速发展的科学技术多为计算机辅助设计,而非自动化设计。
不难解释,EDA技术已不是某一学科的分支,或某种新的技能技术,它应是一门综合性学科。
它融合多学科于一体,又渗透于各学科之中,打破了软硬件之间的堡垒,是计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一,它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向[4]。
2.2TannerEDATools的简述
TannerResearch公司在windows平台的基础之中开发了一种主要被用在集成电路设计过程中的工具软件,这款软件便是Tanner集成电路设计软件,这种Tanner集成电路设计软件的功能非常明显并且得到了集成电路学界的很快认可和利用,容易掌握也容易使用,它主要包括了常用的电路绘制软件S-Edit以及版图绘制软件L-Edit软件,另外还包括T-Spice,W-Edit,与LVS等设计平台,这些平台基本上可以囊括了从电路的初步设计一直到分析改善模拟结果以及电路的布局等电路设计全过程,它所包括的L-edit是一款非常热门且专业的电路版图编辑器,无论是国内还是国外都得到非常广泛的应用,知名度非常高[5]。
由TannerEDA软件公司开发的一种可以进行IC设计以及对其进行验证的软件系统模块便是L-EditPro,效率以及性能等方面都具有超高的优越性,并且最显著的特点是交互式,从IC初步设计一直到最终输出以及最后的加工都被包含在这种软件模块强大且完整的功能之中,其优异的性能已经可以和国外盛名的百万美元级别的IC设计软件相提并论。
L-EditPro主要包含的模块有:
IC设计编辑器、自动布线系统、DRC规则检查器、组件提取器以及设计布局与电路netlist的比较器等,这些专业性以及针对性能较强的模块给一个完整的IC世纪以及验证都提供了极大的便利,使其解决变得容易许多,而且由于L-EditPro的功能的完善性,IC设计者以及生产商家们得到了更为快速简便且不影响其精确性的设计系统[5]。
2.3Tanner软件的组成及发展
TannerEDA软件平台主要组成部分有S-edit,T-spice,L-edit,W-edit和LVS,这些部分都涉及在一个完整的电路设计以及版图实现的过程中,其中各个部分的功能不尽相同,分工极为明确,S-edit的主要功能就是编辑初步设计好的电路图,主要方法是提取利用软件中所包含的电路元件符号来绘制符合设计的电路图,T-spice主要是对电路进行分析以及模拟,以便电路设计的过程更加严谨和正确,W-edit主要是用来显示出在T-Spice软件中电路模拟出来的最终结果,方便和预期进行比较,方便改正和显示不足和缺陷,L-edit的主要作用是对电路的版图布局图进行编辑并且进行自动的配置和绕线,此外,L-Edit还可以进行对编辑好的版图进行观察以及电路转换的过程,LVS则主要是用来比较电路图和布局图的[6]。
2.3.1Tanner的设计流程
用TannerEDAtools来对电路进行设计的一般流程遵循以下步骤:
首先把你要设计的电路在S-Edit上面编辑出来符合设计的电路图,然后可以输出Spice文件,spice文件主要是由T-Spice进行电路图的模拟输出,如果模拟结果是正确的便可以在L-Edit上进行电路布局图的设计了,但是如果模拟出来的结果是有错误存在的,那就必须要回到S-Edit上对电路图进行检查。
在L-Edit上绘制版图的时候必须要用到DRC规则检查的功能以确保绘制的版图不存在任何违反设计规则的错误,如果DRC规则检查出现错误可以根据检查提示对布局图进行修改直至无误,将无误的布局图转换成为Spice文件,运用T-Spice的共恩呢该进行模拟,确保布局图无误。
这之后可以利用TannerEDA另一种软件-LVS将又电路图输出得到的Spice文件和版图转换而成的Spice文件进行最后的对比,如果对比发现结果是相吻合的,那么设计好的版图就要输出成为GDSII文件类型,如果对比结果不相吻合,那么就要回到L-Edit或者S-Edit的界面对电路图或者布局版图进行修改,直到最后验证没有错误。
其主要流程图如下图所示:
图1
上述流程图中的Spice文件是SimulationProgramwithintegratedcircuitEmphasis的简称,Spice是一种在电路设计过程中经常用到的一种分析程序,主要作用是对电路的各种特性进行专业性的分析甚至是模拟,追溯其发展已有三十多年的历史了,它是由美国加州大学分校首先提出的概念程序,这种程序可以代替一系列电子实验室的功能进而来设计一些比较复杂的电路和系统,这种功能主要是由Spice语言的元器件模型的精度高决定的。
2.3.2Tanner软件的发展
利用计算集成电路自动设计工具软件L-EDIT实现移相掩模图形布局设计及交互式图形编辑。
TannerResearch,Inc.开发的一种很优秀的集成电路设计工具软件,最大的特点是可用于任何个人计算机(PC机)、它不仅具有强大的集成电路设计、模拟验证、版图编辑和自动布局布线等功能,而且图形处理速度快、编辑功能强、通俗易学、使用方便,很实用于任何个人进行集成电路设计或其它微细图形加工的版图设计工作。
早期TannerEDATools是一种可以运行于PC-DOS或MS-DOS操作系统的IBMPC及其兼容机的交互式集成电路版图设计工具软件包,通过十多年的扩充、改进,几乎每年都有一种新的修改版,到目前已经推出到1988-2002TannerEDA版本,其强大的EDA功能不比SUN工作站上运行的Cadence设计软件逊色,可以用来完成任何复杂度的IC设计,但它却能够运行于任何微机上的Windows操作系统平台上,为设计软件的普及、推广、应用创造了非常有利的条件[6]。
整个设计工具大体上可以归纳为两大部分,即以S-Edit为核心的集成电路设计、模拟、验证模块和以L-Edit为核心的集成电路版图编辑与自动布图布线模块。
前者包括电路图编辑器S-Edit、电路模拟器T-Spice和高级模型软件、波形编辑器W-Edit、NetTran网表转换器、门电路模拟器GateSim以及工艺映射库、符合库SchemLib、Spice元件库等软件包,构成一个完整的集成电路设计、模拟、验证体系,每个模块互相关联又相对独立,其中S-Edit可以把设计的电路图转换成SPICE,VHDL,EDIF和TPR等网表文件输出,提供模拟或自动布图布线。
后者则是包括集成电路版图编辑器L-Edit和用于版图检查的网表比较器LVS等模块,L-Edit本身又嵌入设计规则检查DRC、提供用户二次开发用的编辑界面UPI、标准版图单元库及自动布图布线SPR、器件剖面观察器CrossSectionViewer、版图的SPICE网表和版图参数提取器Extract(LPE)等等,网表比较器LVS则用于把由L-Edit生成的版图反向提取的SPC网表和由S-Edit设计的逻辑电路图输出的SPC网表进行比较实现版图检查、对照分析。
L-Edit除了拥有自己的中间图形数据格式(TDB格式)外,还提供了两种最常用的集成电路版图数据传递格式(CIF格式和GDSII格式)的输入、输出功能,可以非常方便地在不同的集成电路设计软件之间交换图形数据文件或把图形数据文件传递给光掩模制造系统。
还要特别提到的是在国内已具有很高成电路版图知名度的集编辑器L-Edit(LayoutEditor)[7]。
L-Edit是整个TannerEDATools的基础,目前Tanner集成电路设计工具软件就是在1988年开发的最早版本交互式图形编辑软件L-Edit的基础上逐渐发展、完善起来的。
首先是经过以V2.00到V4.00系列为代表的纯DOS版本软件,后来开发了以V5.00为代表的DOS版本,可在Windows下调用,进而又开发了以V6.00为代表的WIN3X版本,随着微软的各种Windows版本的相继出现,TannerResearch也相继推出了V7.00和V8.00系列产品,其中有代表性的是1998年推出的V7.50、2000年推出的V8.30、2002年推出的V8.50及2003年又推出9.0和10.0几种版本。
L-EditV7.50是一个很典型的版本,具有非常友好的Windows界面和方便的绘图能力,增加了以往版本不具有的任意扇区和圆环绘制功能和参考标尺生成器,具有直接调用SPR和DRC及TXT的按钮,而且还提供了为图形编辑器进行二次开发的用户编辑界面UPI,用户可以自行开发更加复杂的图形编辑功能,极大地扩展了L-Edit的能力和灵活性。
L-EditV8.30版本又突破以往只有256色的限制,实现了真彩色表现的能力,上下层图形可以实现透明显示,并且进一步完善了多层布线功能。
2.3.3L-Edit软件的介绍
L-Edit是TannerToolsPro工具软件中的一个软件包可以在同一窗口中进行版图设计、设计规则检查、网表提取、标准单元自动布局与连线等工作。
配合在S-Edit中建立的相应电路可以在TannerToolsPro提供的另一个工具LVS完成布局与电路的比对。
L-Edit的窗口包括标题栏、工具栏、位臵显示区、鼠标功能说明、状态栏、绘图区等项目。
还有层的定义区用以定义现在要进行绘制和编辑的层。
在进行版图设计之前,首先要设定设计文件的数据如调色板、应用、设计、图层、特殊图层、设计规则检查、标准单元库自动布局与连线[8]。
“PasteToCursor”选项表示将剪贴板上的图形粘贴到鼠标指针上,选中该选项后在粘贴对象时,被复制的对象会跟随光标指针出现在绘图区并随光标一起移动,点击鼠标的任何键时被复制的对象固定到绘图区。
在粘贴到绘图区之前还可以对该对象进行水平、垂直、镜像与旋转操作,“Auto-Panning”选项用于自动平移窗口,选中该选项后,在执行Draw绘图、Move移动或Edit编辑操作时当鼠标指针碰到绘图窗口边缘时,L-Edit将自动平移窗口。
下图为应用设置对话框:
图2
建立新的单元,执行Cell/New子命令弹出新建单元对话框,如图所示。
依对话框要求输入新单元的名称、作者、机构名称与单元的相关信息。
选中“Openinnewwindow”选项表示新单元将在新窗口中打开,否则新单元在当前窗口打开
窗口中已打开的窗口被关闭。
然后点击OK按钮新单元被创建。
图3
用L-Edit进行版图设计的基本任务是绘制对象,绘图对象包括几何图形、例化体、端口和标尺等。
绘制的基本步骤是:
选择图层、激活绘图工具、进行绘制。
L-Edit提供的几何图形绘图工具包括长方形、多边形、线、圆、扇形和环扇等。
L-Edit绘制版图时连线的宽度、端点和顶点外形由当前图层的默认连线样式决定。
在图层设臵对话框的General标签页中设定。
下图为端口设置对话框:
图4
用L-edit进行版图设计的概念:
版图设计是创建器件或者系统的工程制图的物理描述过程,而这一物理描述遵守有制造工艺、设计流程以及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束。
2.48位移位寄存器的工作原理和设计要求
2.4.1工作原理
移位寄存器的作用不仅局限于能够寄存数码,而且它还具有移位的功能。
移位功能是所学的数字系统和计算机技术之中的一个非常基本且重要的功能,比如我们计算二进制数据乘以2的时候就可以利用这个功能将这个二进制数据左移一位来实现,而一般二进制数据除以2的运算则可以通过右移的功能来实现[9]。
用一个多位双向移位寄存器为例,它主要是由N个与或非门来构成的N个二选一的数据选择器,将左移和右移移位寄存器组合在一起就构成了多位双向移位寄存器了,当移位方向的控制信号为1的时候,右移输入的与门就会自动打开,左边的触发器经过与或非门的作用就会发生反向,然后再加到相邻的触发器的输入端,这样发生依次右移,反之当控制信号为0的时候,就会发生左移的效果,这便是双向移位寄存器的工作过程。
移位寄存器是一般都是基本的同步时序电路,一个基本的移位寄存器可以将数据的串并行自由转换,并且可以进行数值的基本运算以及一些基本数据的处理的功能,在8位移位寄存器的设计过程中,我们规定寄存器之中的数据从低位触发器向高位触发器移动的过程为右移过程,反之则称为左移。
现在的很多设计过程中,一般为了将设计的逻辑功能进一步扩展并且能够更加灵活地使用,很多双向移位寄存器的集成电路产品都会在原本的基础上附加并行输入以及并行输出等功能,下图所示是以上所说的几种工作模式的简化示意图。
图5
下图是一种可以实现数据的保持以及左右移动,数据输入输出并行的效果的基本电路实现方案,mFF是一个D触发器,是N位移位寄存器中的一个主要构成部分,在这个D触发器的输入端插入四选一的数据选择器的话,再用一个两位的编码器输入10ss,以此来控制这个数据选择器,然后来选择D触发器的信号来源,当编码输入为100ss的时候,只要选择D触发器原本就会输出的mq,这个时候的次态势1mnnmmQDQ,并且使触发器的状态保持不变,当编码输入100,1SS的时候,D触发器的输出就会被选中,所以当脉冲上升沿到达的时候,D触发器就会将原先触发器的逻辑值存起来,这个时候实现的就是多位移位寄存器的右移功能,类似的情况,当编码输入101,0SS的时候,mMUX选择1mQ,多位移位寄存器实现的就是左移功能;
而当输入101SS的时候,被选中的则是并行输入数据mDI,这个数据的次态是1nmmQDI,因此完成的是多位移位寄存器的并行数据的置入功能。
图6
2.4.2电路结构与设计
下图是一个8位双向移位寄存器,它是由8个4选1数据选择器以及8个具有异步清零作用的D触发器组成。
这些数据选择器的每个编码端10SS都对应地连接在一起,然后实现选择触发器信号数据的来处的作用。
D触发器的终端连接在一起,清零端连接在一起,这样就可以保证D触发器在级联的情况下保持同步,同时能够对并行输出的数据进行清零。
此外,D触发器最显著的特点就是每个输出对应一个并行输入。
是右移串行数据输入端称为Dsr,是左移串行数据输入端成为Dsl,分别对应接在D触发器最低有效位对应的数据选择器和最高有效位对应的数据选择器。
图7
分析电路图,可得此8位双向移位寄存器的真值表:
图8
38位移位寄存器的电路设计与版图实现过程
3.1各个模块的设计与仿真
3.1.1带复位端D触发器的设计与版图实现
构成时序逻辑电路必须要具备的逻辑器件就是触发器,0状态和1状态是触发器的两个稳定状态;
两个状态可以在外界存在信号的作用下相互转换,如果外界没有任何信号存在,状态是保持不变的。
所以,一般可以用触发器当作二进制存储单元使用。
触发器的分类主要根据功能的不同而不同,常见的有RS触发器、JK触发器、D触发器等。
一个触发器通常可以储存一位数据,如果想要多位数据的话,可以将多个触发器连接在一起,可以用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料[10]。
D触发器的工作原理:
作为一种用时钟来控制的记忆性器件,它具有控制输入讯号的功能,简称CLOCK,这种讯号只有在特定的时刻才可以根据输入的讯号情况来改变输出状态。
移位寄存器的主要结构是D触发器,所以首先要明确D触发器的电路图然后在TannerEDA软件平台上对其进行绘制以及仿真。
下图为带复位端D触发器的电路原理图:
图9
在L-Edit平台上绘制出带复位端D触发器的版图如下图所示:
图10
将D触发器转换成Spice文件,如下图:
图11
T-Spice模拟:
图12
对版图进行仿真得出如下图所示的输入输出波形:
图13
3.1.2与或非门的设计与版图实现
一般的移位寄存器电路结构还有一个不可忽视的组成部分,那就是与或非门,将两个与门以及一个或门一个非门组合起来便是与或非门,逻辑符号是
与或非门的真值表如下图
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