MOS集成大規模集成電路設計及措施問題詳解

本節從系統設計的角度來研究大規模集成電路的設計。提高了集成度以后會產生怎樣的問題？對這些問題采取什么措施？我們用大規模集成電路化產品的具體例子，來闡述上述問題。

一般的趨勢是，集成電路的集成度越高，集成電路功能方面的自由度就越少。另一方面，因為大規模集成電路需要大量研制經費，所以應盡量多生產同一種電路，提高其批量生產的經濟效果。解決這兩者的矛盾，是大規模集成電路的一個大課題。MOS集成大規模集成電路設計。在大規模集成電路產品化的早期，這個問題主要表現在系統分割上，即一個系統用幾塊大規模集成電路構成時，對該系統如何分割才能提高各大規模集成電路功能的自由度的問題。

（1）系統分割

一個系統集成為一塊大規模集成電路時沒有系統分割的問題，但從當時技術上可能做到的大規模集成電路的集成度方面考慮，整個系統必須用兩塊以上大規模集成電路構成時，就必須進行系統分割。一般在進行系統分割時要考慮下述各點。

（i）盡量增大，各個大規模集成電路功能上的自由度。

（ii）經分割后的子系統相互間的信號交換要盡量少。

（iii）各種大規模集成電路以均等的集成度進行分割。

以上述第（i）項為重點的考慮方法是從中規模集成電路的考慮方法發展而來的，將整個系統分割成功能上完整的子系統并對各個子系統進行標準化，從而增大各個大規模集成電路功能上的自由度。這種方法難以實現上述第（iii）項的集成度均等化。MOS集成大規模集成電路設計。另外，控制電路等復雜的部分，因受大規模集成電路引線數的限制，分割很困難，同時，標準化也很困難。于是，以重點放在第（i）項的考慮方法進行系統分割有各種困難。另一方面，當大量需要大規模集成電路產品時，第（iii）項比第（i）項更為重要，根據當時的可能做到的集成化程度以及引線數目的限制。進行最適當的分割。這就是大規模集成電路化初期所用的系統分割方法。

但上述的“最佳”分割方法，會使大規模集成電路功能上的自由度變得很小，難以適應在規格品種方面的市場需求變化，因而產量小的機種不可能實現大規模集成電路化。為了解決對大規模集成電路的這類要求，可采取下述手段。

（2）程序邏輯陣列結構

對臺式電子計算機而言，可將整個系統大體分為下述兩個部分：

（i）規定計算程序的程序發生電路；

（ii）執行程序發生電路指令的運算部分。

在上述部分中，隨系統的規格而變化的部分，大部分系（i）的程序發生電路部分，（ii）的運算部分比較容易標準化。此處所講的程序邏輯陣列結構主要是為第（i）部分的標準化而考慮的大規模集成電路設計方法，如圖3.8所示，由“與”門矩陣和“或”門矩陣構成。將以前用隨機邏輯構成的這一部分排列成整齊的矩陣形式，使這一部分的改變容易進行，從而通過改變大規模集成電路的掩模圖形而能制出各種規格的系統。MOS集成大規模集成電路設計。如果只將原來的程序發生電路部分排列成矩陣形式，其效率極低，引線數也多，很不實用，必須采取措施加以改進。為了解決這個問題，以前是從各地址線直接輸出微指令，但在采取程序邏輯陣列結構時，是從地址線輸出編碼形式的微指令，變換成微指令的步驟是在接受指令的大規模集成電路一側進行的。這樣一來，不但大規模集成電路間信號的交換路數可減少，“或”門陣列部分的效率也隨之得到提高。

以上從大規模集成電路功能上的自由度方面敘述了提高自由度的手段。此外，從系統設計的角度應予考慮的問題有功耗和檢驗方法等。

減少大規模集成電路的基本電路功耗直接與提高集成度有關系，應盡量選擇功耗低的電路結構。另外，功耗與工作速度也有密切關系，一般要提高速度就有增加功耗減少集成度的趨勢。因此設計大規模集成電路時，要充分考慮該系統所需的工作速度，以便降低成本，提高性能。為了降低功耗，曾嘗試過種種措施，其例子如圖3.9和圖3.10所示。圖3.9的電路，只在有信號轉移必要時，才供電，因而沒有無謂的功耗。圖3.10是采用互補型電路的例子，與原來的有負載電阻的電路相比，它沒有直流電流，因而電源效率有很大改進。

最后是檢測的問題。以100%的準確度對不合格的集成電路進行檢測，這在技術上是相當困難的。但實際上，根據生產工序的管理方面的要求，并不一定要求有100%的失效檢測率。檢測時間和失效檢測率之間有一定關系，根據工序管理的方便，可考慮采取適當的方法。大規模集成電路生產工序中，檢測工序所占的比例甚大，在設計大規模集成電路時應考慮可節省檢測時間的邏輯設計和電路設計。

在研究和試制大規模集成電路時，須檢測電路是否完全滿足預定的功能，但這與上述從工序管理考慮的檢測相比，性質很不相同。MOS集成大規模集成電路設計。前一種情形是一般作成測試圖形利用計算機進行自動檢測：后一種情形將試制的大規模集成電路裝入模擬裝置，由人來檢測整個系統的工作，這是目前最有效的方法。

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