VLSI复习题与思考题.doc.pdf
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1、第一章 “VLS工设计基础概述”复习题与思考题 1.为什么CMOS ( 含BiCMOS)工艺成为VLSI主流工艺?其最大特点是什么? 在微电了技术领域,集成电路的制造有两个主要的实现技术:双极技术与MOS技术。CMOS 以其 结构简单,集成度高,耗散功率小等优点,成为当今VLSI制造的主流技术。其最大特点是耗散功率 小。 2.双极工艺还有用武之地吗? 双极技术是以NPN与PNP晶体管为基木元件,融合其他的集成元件构造集成电路的技术方法。双 极器件以其速度高和驱动能力大,高频、低噪声等优良特性,在集成电路的设计制造领域,尤其是模 拟集成电路的设计制造领域,占有一席之地。但双极器件的耗散功率比较大
2、,限制了它在VLSI系统 中的应用。 3.以你的体会,你认为集成电路设计师应具备哪些基本技术基础? 设计者必须具备下列的技术基础:电路与逻辑没计技术基础,器件与工艺技术基础,版图设计技术 基础和集成电路计算机辅助设计技术基础。除此之外,设计者还应具备对电路、逻辑、器件、工艺和 版图的分析能力。 4.简要说明描述集成电路技术水平5大指标的含义。 当前国内和国际上集成电路产业在特征尺寸及晶 园尺寸方面各达到什么水平? 集成度是以一个IC芯片所包含的元件 ( 晶体管或门 / 数) 来衡呈,特征尺寸特征尺寸定义为器件中 最小线条宽度 ( 对MOS器件而言,通常指器件栅电极所决定的沟道长度的儿何长度)
3、,芯片 面积大小, 晶片直径大小,封装引脚数多少。 国内:0.25 P m, 8 英寸(20cm),国际:0.13 U m, 12 英寸(30cm)。 5.微米级、亚微米级、深亚微米级各指什么尺寸,举例说明之。 微米级(micro-M) (3um 2 u m 1985 年 、1.5 um、1 u m 1989 年) 、 亚微米级(submicro-SM) (0.7 Um、0.5 Um 1993 年) 发展到 深亚微米(deep submicro-DSM) (0.35 u m 1997 年 、0.25 u m、0.18 u m 2001 年 、0.13 u m), 超深亚 微米或亚0.1 M m
4、 2005 年(very deep submicro-VDSM ) 。 6.简要说明深亚微米电路设计对设计流程的影响。 在深亚微米级电路设计中的一个突出刃盾是时序问题。到了深亚微米水平,互连线的延迟将超过 门延迟。要求在逻辑设计过程中引入物理设计阶段的数据;如何把布局布线工具、寄生参数提取工具 的时序分析统计工具集成到逻辑综合中去。还有一个功耗问题必须考虑。总之是要求将前端设计和后 端设汁及测试融为一体。 7.为什么说嵌入式SoC的设计代表了高科技的设计方法和软硬件系统? 嵌入式SoC是集系统性能于一块芯片上的系统组芯片,它通常含有一个或多个微处理器IP 核(CPU), 有时再增加一个或多个D
5、SP IP核,以及多个或几十个的外围特殊功能模块,和一定规模的存储器 ( RAM, ROM)等。针对应用所需的性能将其设计集成在芯片上,而成为系统操作芯片。芯片的规模常 常可以达到数百万门甚至上千万门以上,所以嵌入式SoC是满足应 用的系统组成的集成电路产品。嵌 入式SoC 方面要满足复杂的系统性能的需要,另一方面也 要满足市场上口新月界的对新产品的需求, 因此嵌入式SoC的设计代表了高科技的设计方法和软硬件系统 8. IP的基本定义是什么 ? IP核即知识产权产品是在集成电路设计中,IP特指可以通过知识产权贸易,在各设计公司间流通的 完成特定功能的电路模块。 9.分别说明硬IP、软IP、固I
6、P的主要特征。 硬IP,也是针对某一工艺完成的版图设计,并经过后仿真和投片验证。硬核已完成了全部的前端和 后端设计, 制造也已确定。 它的特点是灵活性最小,知识产权的保护比较简单。软IP是 包插逻辑描述、 网表和不能物理实现的用于测试的文档(test bench file )方式存在的IP,是一段 可综合的高级语言 (用 C语言或硬件描述语言完成)源程序,用于功能仿真。 在进行电路设计时,可以改动IP的内部代码以适应不同的电路需要,或者IP本身就带有各种可设置 的参数来调整具体的功能。 固核是一种介于软核和硬核之间的IP,通常以RTL代码和对应具体工艺网表的混合形式提供。固核既 不是独立的,也
7、不是固定的,它可根据用户要求进行修改,使它适合用于某种可实现的工艺过程。固 核允许用户重新确定关键的性能参数。 10.嵌入式IP核与通用IP模块各有什么特点? 嵌入式IP核指可编程IP模块,主要是CPU与DSP,通用模块则包括存储器、存储控制器,通用接 口电路,通用功能模块等。 IP模块的这种划分,通常是基于商业方面的考虑,按业界的一般观点,提供嵌入式IP核的 供应 商有比较大的利润空间,而且生存环境较好。 11?分别说明CPU核与DSP核,存储器核、存储控制器核,通用接口电路核,通用功能模块核各属 于哪种类型? CPU核与DSP核,存储器核硬IP; 存储控制器核,通用接口电路核,通用功能模块
8、核- 软IP。 12.虚拟插座接口联盟想解决什么问题? 1)从IP模块的提供者來看,问题是如何设计商用IP,如何进行恰当的描述使得既能方便使用者 进行再利用乂不暴露知识产权的秘密,以及如何对IP模块进行维护,使它适应技术的发展; 2)从IP模块的使用方面来看,问题是通过什么渠道可以找到所需要的IP模块,如何对它进行评 估,验证,如何能够购买到。如何正确使用以及许多标准化的问题. 13.什么是摩尔定律? 集成电路的集成度大约每三年就要翻两番,集成电路的特征尺寸则是每三年以0.7的比率缩小。 14.说明如下30个英文缩写字的含义(不要求写英文全称): MOSFET 金属氧化物 - 半导体场效应晶体
9、管 IC 集成电路 LSI 大规模集成电路 VLSI 超大规模集成电路 ULSI 特大规模集成集成电路 GSI 巨大规模集成集成电路 SDM 深亚微米 VSDM 超深亚微米 SoC 系统集成或片上系统 IP 知权模块 I/O 输入/ 输出 CPU 中央处理器 DSP 数字信号处理器 BIST 内建自测试 CMOS 互补金属 - 氧化物 - 半导体集成电路 BiCMOS 双极互补金属氧化物半导体兼容集成电路 MEMS 微机电系统 MOEMS 微光机电系统 BioMEMS 生物微机电系统 VSIA VCX CAD CAE EDA VHDL ASIC ASSP CIF PG RTL 虚拟插座接口联盟
10、 虚拟部件交易所 计算机辅助设计 计算机辅助工程 电子设计自动化 硬件描述语言面向特定应用的集成电路 标准专用电路 由美国加州工学院开发的版图交换格式 图形发生器寄存器传输级 第二章 “MOS器件与工艺基础”复习思考题 1.说明MOS器件的基本工作原理。它与BJT基本工作原理的区别是什么? MOS器件基于表面感应的原理,是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子 ( 多 数 载流子 ) 器件。用跨导描述其放大能力。 双极型晶体管(BJT)是利用发射结、集电结成的体内器件,由基极电流控制集电极电流的两种载流 子均起作用的器件。用电流放大系数描述其放大能力。 2.试以栅介质和栅电极的种
11、类对MOS器件进行分类。当前VLSI MOSIC工艺的主流采用何种工艺? 以SiO2为栅介质时,叫MOS器件,这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以AI2O3为 栅 介质的MAS器件和以SisN4为栅介质的MNS器件,以及以SiO2+Si3N4为栅介质摸MNOS 器件,统 称为金属绝缘栅半导体器件?MIS器件。 以A1为栅电极时,称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si)为栅电极时,称硅栅器件。它是当前 MOS器件的主流器件。 3 ?为什么说硅栅工艺优于铝栅工艺? 硅栅工艺是利用重掺杂的多晶硅来代替铝做为MOS管的栅电极,使MOS电路特性得到很大改善, 它使|VTI?|T 降1? 1V,也
12、容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。硅栅丄艺具有自对准作 用,这是由于硅具有耐高温的性质。栅电极,更确切的说是在栅电极下而的介质层,是限定源、漏扩 散区边界的扩散掩膜,使栅区与源、漏交迭的密勒电容大大减小,也使其它寄生电容减小,使器件的 频率特性得到提高。另外,在源、漏扩散Z前进行栅氧化,也意味着可得到浅结。铝栅工艺为了保证 栅金屈与漏极铝引线之间看一定的间隔,要求漏扩散区面积要大些。而在硅栅工艺中覆盖源漏极的铝 引线可重迭到栅区,这是因为有一绝缘层将栅区与源漏极引线隔开,从而可使结面积减少30%-40%o 硅栅工艺还可提高集成度,这不仅是因为扩散自对准作用可使单元面积大为缩小,而
13、且因为硅栅工艺 可以使用“二层半布线”即一层铝布线, 一层重掺杂多晶硅布线,一层重掺杂的扩散层布线。由于在 制作扩散层时,多品硅要起掩膜作 用,所以扩散层不能与多晶硅层交叉,故称为两层半布线. 铝栅工艺只有两层布线:一层铝布线,一层 扩散层布线。硅栅工艺由于有两层半布线,既可使芯片面积比铝栅缩小50%又可增加 布线灵活性。 当然,硅栅工艺较之铝栅工艺复杂得多,需增加多晶硅淀积、等离子刻蚀工序,而且由于表面层 次多,台阶比较高, 表面断铝, 增加了光刻的困难, 所以又发展了以Si3N4作掩膜的局部氧化LOCOS (Local Oxidation Isolation for MOSIC )工艺,或
14、称等平面硅栅工艺。 4.扩散条、重掺杂多晶硅和金属布线的性能区别。 扩散条连线由于其电容较大,漏电流也较大,所以尽量少用,一般是将相应管了的源或漏区加以延 伸而成。扩散条也用于短连线,注意扩散条不能跨越多晶硅层,有时把这层连线称为“半层布线”。 因硼扩散薄层电阻为30?120Q/口,比磷扩散的R大得多,所以硼扩散连线引入的分布电阻更为可 观,扩散连线的寄牛电阻将影响输出电平是否合乎规范值,同时也因加大了充放电的串联电阻而使工 作速度下降 . 因此,在CMOS电路中,当使用硼扩散条做连线用时要考虑到这一点。详见下表。 ? mum 单兀抓朴 图5-2 标准单兀示意图 多晶砂 严陥离环 地线 僧线
15、I/O管腿,在部分利用时,空余的管腿不予连接。但在标准单元法中,是根据设计需要而设置I/O管 腿数,因而没有空余的I/O管腿。 (4)门阵列基片已完成了连线以外的所有加工工序,完成逻辑时需要单独设计的掩膜版只有2?4 块;但对标准单元法则不同,由于所调用的单元不同,布局的结果不同,布线结果不同,布线通道间 距不同,因而需要设计所有层次的掩膜版。 15.标准单元法与门阵列法相比较,有哪些优点和缺点? 标准单元法与门阵列法比较有明显的优点: (1)芯片面积的利用率比门阵列法要高。芯片中没有无用的单元,也没有无用的晶体管。 (2)可以保证100%的连线布通率。 (3)单元可以根据设计要求临时加以特殊
16、设计并加入库内,因而可以得到较佳的电路性能。 (4)可以与全定制设计法相结合。在芯片内放入经编译得到的宏单元或人工设计的功能块。标准单 元法也存在缺点和问题: (1)原始投资大。单元库的开发需要投入大量的人力物力;当工艺变化时,单元的修改工作需 要付出相当大的代价。 因而如何建立一个在比饺长的时间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。 (2)成本较高。由于掩膜版需要全部定制,芯片的加丄也要经过全过程,因而成本较高。因此 只有芯片产量达到某一定额( 几万至十几万 ) ,其成本才可接受。 16.在进行小批量生产和使用的ASIC时,在PLD、LCA(FPGA) 门阵列和标准单元IC中如 何进 行选
17、择? 首先要看哪种方法能满足你所设计产品的集成度要求,其次是比较其性能指标- 工作速度、功耗和 芯片面积,最后分析需要付出的代价。 从工作速度角度看,标准单元IC的速度在4者中属最快的 ( 当然它比不上全定制的IC),门阵 列1C 速度要低些,因为它内部单元中的晶体管尺寸都相同。 PLD和LCA(FPGA)祁比上两种更慢 ( 如果釆用相同的工艺技术的话) ,因为它们有着由于电编程结 构所带来的附加内连延迟,特别是LCA(FPGA),其附加延迟更加严重;但是随着工艺技术的改进,可 编程IC的速度己有明显提高。PLD的集成度冃前还较低,而LCA(FPGA)的集成度已可与门阵列、 标准单元IC相比。
18、 冃前PLD和LCA的价格较高,因而在大量牛产时,往往由于成木的原因,将PLD和LCA 转换 成相应的门阵列;或由于性能的要求。将其转换成相应的标准单元甚至再次设计成全定制电路。当所 需逻辑电路的且年使用量在1万块以下 ( 集成度较高时 ) 或10万块以下 ( 集成度较低时) ,使用FPGA 为适宜。利用FPGA代替门阵列或标准单元可大大降低成本。 第六章微处理器思考题( 最低要求 ) 1.简述CPU和MPU的区别。 计算机中的一个核心部件CPU称为中央处理单元(Central Processing Unit)。过去的CPU由多 个小 规模或屮规模集成电路块组成。随着大规模集成电路技术的开发和
19、成熟,CPU可以用一块 大规模集成 电路来实现,这种置于一块芯片( 单片J上的中央处理器被称为微处理器(microprocessor)或微处理单 元MPU (microprocessing unit)。 2.微处理器主要用那个指标做为划分标准?其内部结构由哪几部分构成? 微处理器是采用LSI / VLSI / ULSI技术在一片或儿个芯片上制成的计算机中央处理单元。其主要的 划分标准为字长,有1位、4位、8位、16位、32位和64位微处理器。微处理器的内部结构主要包 括数据通路、控制通路和总线接口。数据通路为进行算术/ 逻辑运算的运算器,有存放操作数和屮间 结果的寄存器堆和移位器等。控制通路包
20、括指令寄存器、指令译码器和控制电路。总线接口部分包括 数据总线和地址总线的缓冲器等。 3.微处理器本身是一台完整的计算机吗? 微处理器本身不是一台完整的计算机,但它是微型计算机的心脏。它的任务是完成指令所要求的运算 功能和控制功能,所以它是运算单元和控制单元的总称。完整的计算机还应包括内存储器、外存储器、 输入输岀设备组成。当然微型计算机还需要有内置电源、时钟电路和键盘、显示器及打印机等外部设 备。 4.微型计算机中的信息流有几类? 微型计算机中的信息流有3类,见图4。 1) .指令流。图中以粗实线表示。指令流是将存在内存储器中的程序指令逐条送到控制器中。 2) .控制流。图中以虚线表示。控制
21、器根据対指令分析的结果,向运算器、内存储器和输入输出设备 发出运算命令、存取数据命令或输入输出命令。 3) .数据流。图中以实线表示。分别表示从输入设备中将数据读入内存,从内存中将数据送到运算器, 将运算结果送回内存,通过输岀设备输出结果。 运算步骤 图4 微型i十算机中的信息流 5.什么叫精简指令微处理器(RISCMPU)? 粘简指令微处理器(Reduction Instruction Set Computer IC, RISC MPU)有别于CISC(Complex Instruction Set Computer)微处理器 ( 如80386、68030 的另一类微处理器。顾名思义,其最主
22、要的特点 是指令系统简单,仅包括一些最常使用的指令,删除了一些复杂指令,并且指令格式固定,大多数指 令都能在一个周期内完成。为了改善机器性能,其控制器采用随机逻辑,不用或少用微码。片内有较 多寄存器,从而仅有Load/Store指令可访问内存。采用流水线技术,可同时处理多条指令。尽管对于 一个给定的算法,RISC机器必须执行的指令数比CISC机器多20-40%,但由于RISC机的指令执行速 度比CISC机快3?6倍,因而总的执行时间比CISC快2? 5倍。采用RISC技术的CPU芯片,其晶 体管数要比同等功能的CISC CPU芯片少得多。如初期的RISC芯片其晶体管数在5万?10万,其性 能与
23、近30万晶体管数的CISC芯片相当。RISC CPU芯片广泛应用于工作站及各种专用控制器( 如激光 打印机 ) 。常用的RISC芯片有SUN公司 的Spare及MIPS公司的R3000等。 6.微处理器的硬件结构由几部分构成? 微处理器由两部分构成。一是运算单元,进行算术/ 逻辑运算及逻辑判断;另一是控制单元,对指 令的读取和指令的执行实行控制。简单的MPU结构框图如图5所示。从图中可以看出,运算单元包 括算术逻辑单元ALU (arithmetic logic unit).暂时保存数据信息的通用寄存器Rn (general register)保存 运算结果和指示执彳亍状态的状态寄存器SR (s
24、tate register)o 内靓总线 凉制申元 (CV)运再耶元 IKXU) 图 5 简单的 M PU 结构框图 控制单元包括:程序计数器PC (program counter),它也是种寄存器,负责存放下一条要执行的地 址;指令寄存器IR (instruction register),用于存放从存储器读出的指令;指令译码器DEC (instruction decoder),用来解释指令并给各执行部件发出相应的命令。此外还有时钟发生器、中断控制 电路等。有的微处理器中还包含高速缓冲存储器(cache),这在图中没有标出。 7. MPU中连接各部件的内部总线有几种?各起什么作用? MPU中连
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