JP2011130319A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ハザードが発生し得る半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a hazard can occur.
ハザードとは、所定の周波数の動作クロックに同期して動作する論理回路において複数の入力信号が微小な時間差を持って変化するような場合、信号到着時刻の遅速によって過渡的に出力される本来の論理レベルと異なる論理レベルの信号をいう。ハザードは、極短時間のパルス(いわゆる、「ひげ」)として観測される。ハザードを除去する回路として、たとえば以下のものが知られている。 Hazard means that when a plurality of input signals change with a minute time difference in a logic circuit that operates in synchronization with an operation clock of a predetermined frequency, the original is output transiently due to the delay of the signal arrival time. A signal having a logic level different from the logic level. Hazards are observed as very short pulses (so-called “beards”). For example, the following circuits are known as circuits for removing hazards.
特開平11−214965号公報(特許文献1)に記載のハザード除去回路は、第1および第2の遅延回路と、否定排他的論理和(exclusive NOR)回路と、Dフリップフロップ回路とを含む。第1の遅延回路はハザードを含む入力信号を遅延する。否定排他的論理和回路は、ハザードを含む入力信号と第1の遅延回路の出力信号とを受ける。第2の遅延回路は、否定排他的論理和回路の出力信号をさらに遅延させる。Dフリップフロップ回路は、ハザードを含む入力信号をデータ信号として受け、第2の遅延回路の出力信号をクロック信号として受ける。 The hazard removal circuit described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-214965 (Patent Document 1) includes first and second delay circuits, a negative exclusive OR circuit, and a D flip-flop circuit. The first delay circuit delays an input signal including a hazard. The negative exclusive OR circuit receives an input signal including a hazard and an output signal of the first delay circuit. The second delay circuit further delays the output signal of the negative exclusive OR circuit. The D flip-flop circuit receives an input signal including a hazard as a data signal, and receives an output signal of the second delay circuit as a clock signal.
特開2009−116047号公報(特許文献2)は、ハザードを抑制した表示装置について開示する。この文献の表示装置は、デコード回路と、デコード回路からの出力信号に発生したハザード信号を、デコード回路からの出力信号を用いて除去するハザード信号除去回路と、ハザード信号除去回路からの出力信号により駆動される画素とを備える。 Japanese Patent Laying-Open No. 2009-116047 (Patent Document 2) discloses a display device in which a hazard is suppressed. The display device of this document includes a decoding circuit, a hazard signal removing circuit that removes a hazard signal generated in an output signal from the decoding circuit using an output signal from the decoding circuit, and an output signal from the hazard signal removing circuit. A driven pixel.
近年、LSI(Large-Scale Integration)の設計には自動配置配線ツール(Automatic Place-and-Route Tool)が用いられる。自動配置配線ツールでは、回路面積が最小になるように各マクロセル(機能ブロック)が最適配置されると共にマクロセル間が配線されるために、マクロセル間の配線経路を設計者が細かく指定することは困難である。このため、マクロセル間の配線経路によっては、配線遅延によって信号到着時刻にずれ(スキュー)が生じる場合があり、この結果、ハザードが発生することがある。しかも、半導体プロセスの進歩によって半導体回路の素子感度が上がっているので、一旦発生したハザードは消滅することなく伝播する。 In recent years, an automatic place-and-route tool is used for designing an LSI (Large-Scale Integration). With the automatic placement and routing tool, each macro cell (functional block) is optimally placed so that the circuit area is minimized, and the macro cells are routed. Therefore, it is difficult for the designer to specify the wiring route between the macro cells in detail. It is. For this reason, depending on the wiring path between the macro cells, a signal arrival time may be shifted (skew) due to wiring delay, and as a result, a hazard may occur. In addition, since the device sensitivity of the semiconductor circuit has increased due to advances in the semiconductor process, the hazard once generated propagates without disappearing.
この発明の主たる目的は、外部接続端子(パッド)を介してLSIチップ(半導体装置)の外部に出力される信号にハザードが含まれないようにすることである。 A main object of the present invention is to prevent a hazard from being included in a signal output to the outside of an LSI chip (semiconductor device) via an external connection terminal (pad).
この発明の実施の一形態の半導体装置は、内部回路と、複数のパッドと、複数のパッドにそれぞれ対応して設けられた複数のインターフェース部とを備える。各インターフェース部は、内部回路からデータ信号と出力許可信号とを受ける。そして、各インターフェース部は、タイミング調整回路と、出力バッファとを含む。各インターフェース部において、タイミング調整回路は、内部回路から受けたデータ信号および出力許可信号の少なくとも一方のタイミングを調整する。出力バッファは、タイミング調整回路によるタイミング調整後のデータ信号および出力許可信号を受け、出力許可信号が活性状態のときデータ信号を対応のパッドを介して外部に出力する。タイミング調整回路は、出力バッファにデータ信号および出力許可信号が入力された時点で、出力許可信号が活性状態の間に出力すべき論理レベルにデータ信号が変化した後に出力許可信号が非活性状態から活性状態に切替わり、かつ、出力許可信号が活性状態の間に出力すべき論理レベルをデータ信号が保持している間に出力許可信号が活性状態から非活性状態に切替わるように、データ信号および出力許可信号の少なくとも一方のタイミングを調整する。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes an internal circuit, a plurality of pads, and a plurality of interface units provided corresponding to the plurality of pads, respectively. Each interface unit receives a data signal and an output permission signal from an internal circuit. Each interface unit includes a timing adjustment circuit and an output buffer. In each interface unit, the timing adjustment circuit adjusts the timing of at least one of the data signal and the output permission signal received from the internal circuit. The output buffer receives the data signal and the output permission signal after the timing adjustment by the timing adjustment circuit, and outputs the data signal to the outside through the corresponding pad when the output permission signal is in the active state. When the data signal and the output enable signal are input to the output buffer, the timing adjustment circuit changes the output enable signal from the inactive state after the data signal changes to the logic level to be output while the output enable signal is in the active state. The data signal is switched so that the output permission signal switches from the active state to the inactive state while the data signal holds the logic level to be output while the output permission signal is in the active state. And the timing of at least one of the output permission signals is adjusted.
この実施の形態の半導体装置によれば、各インターフェース部のタイミング調整回路において、データ信号および出力許可信号の少なくとも一方のタイミングが調整されるので、対応のパッドを介して外部に出力される信号にハザードを含まないようにできる。 According to the semiconductor device of this embodiment, since the timing adjustment circuit of each interface unit adjusts the timing of at least one of the data signal and the output permission signal, the signal output to the outside via the corresponding pad Hazard can be excluded.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。また、以下では、半導体装置としてマイクロコンピュータを例に挙げて説明するが、この発明はマイクロコンピュータへの適用に限られるものでない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. Hereinafter, a microcomputer will be described as an example of a semiconductor device, but the present invention is not limited to application to a microcomputer.
<実施の形態1>
[マイクロコンピュータ100の全体構成]
図1は、この発明の実施の形態1によるマイクロコンピュータ100の全体構成を示す機能ブロック図である。
<
[Overall Configuration of Microcomputer 100]
FIG. 1 is a functional block diagram showing the overall configuration of a
図1を参照して、マイクロコンピュータ100は、CPU(Central Processing Unit)2、割込みコントローラ(INT)3、ROM(Read-Only Memory)4、RAM(Random Access Memory)5、タイマ[A]6、タイマ[B]7、シリアルコミュニケーションインタフェース(SCI)8、A/D(Analog-to-Digital)変換器9、第1〜第9のIO(Input-Output)ポート論理回路(IOP[1]〜IOP[9])11〜19、クロックパルス発振器(CPG)20、およびシステムコントローラ(SYSC)21の各機能ブロック(モジュール)を含む。CPU2は、全体の制御を司る。ROM4は、CPU2の処理プログラムなどを格納するメモリである。RAM5は、CPU2の作業領域ならびにデータの一時記憶に用いられるメモリである。システムコントローラ21には、コントロールレジスタ(CPUCR)22が配置される。マイクロコンピュータ100は、単結晶シリコンのような1つの半導体基板1上に公知の半導体製造技術によって形成される。
Referring to FIG. 1, a
マイクロコンピュータ100は、さらに、電源端子として、接地電圧(Vss)、外部電源電圧(Vcc)、アナログ接地電圧(AVss)、アナログ電源電圧(AVcc)、アナログ基準電圧(Vref)の入力端子を有する。そして、マイクロコンピュータ100は、専用制御端子として、リセット(RES)、スタンバイ(STBY)、モード制御(MD0、MD1、MD2)、クロック入力(EXTAL、XTAL)等の各端子を有する。
The
マイクロコンピュータ100は、上記のCPG20のXTAL端子に接続される水晶発振子またはEXTAL端子に入力される外部クロックに基づいて生成される基準クロック(システムクロック)に同期して、動作を行う。
The
マイクロコンピュータ100の機能ブロックは、内部バス30によって相互に接続される。マイクロコンピュータ100は、バスの制御を行なう、図示を省略したバスコントローラを内蔵する。内部バス30はアドレスバス、データバスの他、リード信号・ライト信号などのコマンドを伝達するコントロールバスを含む。
The functional blocks of the
マイクロコンピュータ100は、さらに、複数のIOセル23(インターフェース部(IF)とも称する)と、複数のIOセル23にそれぞれ対応する複数のパッド24とを含む。IOポート論理回路11〜19の各々には、所定数のパッド24が対応のIOセル23を介して接続される。パッド24は、マイクロコンピュータ100の汎用の入出力端子として用いられるとともに、内蔵モジュールの入出力端子としても用いられる。具体的には、IOポート論理回路15〜17は内部バス30の他にタイマ6〜8とも接続される。IOポート論理回路15〜17に接続されたパッド24の一部は、タイマ6,7の入出力端子も兼ねる。同様に、IOポート論理回路18に接続されたパッド24の一部はSCI8の入出力端子も兼ね、IOポート論理回路19に接続されたパッド24の一部はA/D変換器9の入力端子も兼ねる。
タイマ6,7、SCI8、A/D変換器9、IOポート論理回路11〜19は、マイクロコンピュータ100の外部から入力された信号などに基づいて割込信号32を割込コントローラ3に出力する。この割込信号32に応じて、割込コントローラ3はCPU2に対して割込要求31を行なう。
The
この明細書では、マイクロコンピュータ100の構成要素のうち、IOセル23およびパッド24を除く機能ブロックの部分を内部回路25と称する。内部回路25を構成する各機能ブロックは設計時に自動配線配置ツールによって回路面積ができるだけ小さくなるように配置される。
In this specification, among the components of the
[IOポート論理回路およびIOセルの構成]
次に、IOポート論理回路11〜19および各IOセル23の構成について詳しく説明する。各IOセル23の構成は同一であり、IOポート論理回路11〜19の構成もほぼ同じであるので、以下では、IOポート論理回路18とこれに接続されるIOセル23を代表として説明する。
[Configuration of IO port logic circuit and IO cell]
Next, the configuration of the IO
図2は、図1のマイクロコンピュータ100のうち、IOポート論理回路18に関係する構成を取出して示した機能ブロック図である。図2に示すように、IOポート論理回路18には所定のn個のIOセル23_1〜23_n(IF[1]〜IF[n])が接続され、IOセル23_1〜23_nにはそれぞれ対応のパッド24_1〜24_nが接続される。IOセル23_1〜23_nおよびパッド24_1〜24_nについて、総称する場合または不特定のものを示す場合に単にIOセル23およびパッド24と記載する。
FIG. 2 is a functional block diagram showing a configuration related to the IO
各IOセル23_i(iは1以上n以下の整数)は、IOポート論理回路18から出力データ信号DO_iと出力許可信号OE_iを受ける。IOセル23_iは、出力許可信号OE_iが活性状態のとき、出力データ信号DO_iを対応のパッド24_iを介して出力する。逆に、IOセル23_iは、出力許可信号OE_iが非活性状態のとき、対応のパッド24_iを介して受けた入力データ信号DI_iをIOポート論理回路18に出力する。なお、この実施の形態では、出力許可信号OEの論理レベルは正論理(活性状態のときHレベルになり、非活性状態のときLレベルになる)とするが、必ずしも正論理である必要はない。
Each IO cell 23_i (i is an integer of 1 to n) receives the output data signal DO_i and the output permission signal OE_i from the IO
IOポート論理回路18は、外部との間でデータ信号の入出力を制御するために設けられたセレクタ43、方向レジスタ41、およびポートラッチ42を含む。
The IO
セレクタ43は、SCI8の指令に応じて、パッド24を汎用の入出力端子として使用するか、あるいはSCI8によるシリアル信号の入出力端子として使用するかを切替える機能を有する。
The
方向レジスタ41は、パッド24を汎用の入出力端子として使用する場合に、パッド24を入力端子として使用するか、もしくは出力端子として使用するかを指定するために設けられる。方向レジスタ41には内部バス30を介して入力機能か出力機能かを指示するためのデータが入力され、方向レジスタ41に保持されたデータに応じてIOセル23の入出力機能が切替えられる。
The direction register 41 is provided to specify whether the
ポートラッチ42は、パッド24を汎用の入出力端子として使用する場合に、出力データ信号DO_1〜DO_nおよび入力データ信号DI_1〜DI_nを一時的に記憶するフリップフロップである。
The
以下、この発明に関係するデータ出力に関係する部分の構成についてさらに詳しく説明する。以下ではIOセル23_1の構成を代表として説明する。 Hereinafter, the configuration of the portion related to the data output related to the present invention will be described in more detail. Hereinafter, the configuration of the IO cell 23_1 will be described as a representative.
図3は、IOセル23_1のうちデータ出力に関係する部分の構成を示す回路図である。データ出力に関係するIOポート論理回路18の構成も併せて図3に示される。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a portion related to data output in the IO cell 23_1. The configuration of the IO
図3に示すように、IOポート論理回路18は、IOセル23_1の出力機能を切替えるために設けられたセレクタ43A,43Bを含む。セレクタ43Aは、方向レジスタ41と接続されるとともに、SCI8からSCI出力許可信号37Aを受ける。セレクタ43Bは、ポートラッチ42と接続されるとともに、SCI8からSCI出力許可信号37AおよびSCI出力データ信号37Bを受ける。
As shown in FIG. 3, the IO
SCI出力許可信号37Aが活性状態(Hレベル)のとき、セレクタ43AはIOセル23_1に出力する出力許可信号OE_1(以下、OEと簡略化して記載する)を活性状態(Hレベル)にする。さらに、セレクタ43Bは、SCI8から受けたSCI出力データ信号37Bを出力データ信号DO_1(以下、DOと簡略化して記載する)としてIOセル23_1に出力する。
When the SCI output permission signal 37A is in the active state (H level), the
SCI出力許可信号37Aが非活性状態(Lレベル)のとき、セレクタ43Aは方向レジスタ41の対応のビットデータに応じて、HレベルまたはLレベルの出力許可信号OEをIOセル23_1に出力する。さらに、セレクタ43Bは、ポートラッチ42の対応のフリップフロップに保持されたデータをIOセル23_1に出力する。方向レジスタ41の対応のビットデータが“1”(Hレベル)のとき出力許可信号OEは活性状態(Hレベル)になり、方向レジスタ41の対応のビットデータが“0”(Lレベル)のとき出力許可信号OEは非活性状態(Lレベル)になる。
When the SCI output enable signal 37A is in an inactive state (L level), the
図3のIOセル23_1は、タイミング調整回路50、インバータ61〜65、NAND回路66、出力バッファ70、および保護回路80を含む。
The IO cell 23_1 in FIG. 3 includes a
タイミング調整回路50は、出力データ信号DOを受ける第1の信号遅延部51と、出力許可信号OEを受ける第2の信号遅延部52を含む。第1の信号遅延部51は、遅延回路53Aを含む。
The
図4は、図3の遅延回路53Aの構成の一例を示す回路図である。図4に示す例では、遅延回路53Aは、入力ノードINと出力ノードOUTとの間に縦続接続された複数(図4の場合、4個)のインバータ83A〜83Dを含む。縦続接続するインバータの個数は遅延時間に応じて決定される。
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the
再び図3を参照して、第2の信号遅延部52は、遅延回路53B,53CおよびAND回路54を含む。AND回路54の第1の入力端子には、IOポート論理回路18から受けた出力許可信号OEが入力される。AND回路54の第2の入力端子には、出力許可信号OEが縦続接続された遅延回路53B,53Cを介して入力される。遅延回路53B,53Cの構成は図4で示した遅延回路53Aと同じである。遅延回路53A〜53Cについて総称する場合または不特定のものを示す場合に遅延回路53とも記載する。上記の構成の第1および第2の信号遅延部51,52の動作については、図7を参照して後述する。
Referring to FIG. 3 again, second
第1の信号遅延部51から出力された出力データ信号DOaは、インバータ61を介してレベルシフタ67に入力される。レベルシフタ67は、出力データ信号DOaの電圧レベルを内部電源電圧Vdd(たとえば、1〜1.5V)よりも高い外部電源電圧Vcc(3〜5V)に変換する。これによって、パッド24に接続される回路の駆動電圧に出力データ信号DOaの電圧レベルを合わせることができる。
The output data signal DOa output from the first
同様に、第2の信号遅延部52によって遅延された出力許可信号OEaは、インバータ61を介してレベルシフタ68に入力され、レベルシフタ68によって電圧レベルがVddからVccに変換される。
Similarly, the output permission signal OEa delayed by the second
レベルシフタ67によってレベル変換された出力データ信号DObはNAND回路66を介して出力バッファ70に入力される。レベルシフタ68によってレベル変換された出力許可信号OEbは縦続接続されたインバータ63〜65を介して出力バッファ70に入力される。インバータ63,64の接続ノードND2は、NAND回路66の一方の入力端子と接続される。NAND回路66およびインバータ63〜65は、出力データ信号DObおよび出力許可信号OEbを整形するために設けられている。
The output data signal DOb whose level has been converted by the
出力バッファ70は、インバータ71、NAND回路72、NOR回路73、PチャネルMOS(Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタ74、およびNチャネルMOSトランジスタ75を含む。MOSトランジスタ74,75は、この順で電源ノード(外部電源電圧Vcc)と接地ノード(接地電圧Vss)との間に接続される。MOSトランジスタ74のゲート電極にはNAND回路72の出力端子が接続され、MOSトランジスタ75のゲート電極にはNOR回路73の出力端子が接続される。出力データ信号DOcは、NAND回路72およびNOR回路73の各第1の入力端子に入力される。出力許可信号OEcはNAND回路72の第2の入力端子に入力されるとともに、インバータ71を介してNOR回路73の第2の入力端子に入力される。
上記の出力バッファ70の構成によれば、出力許可信号OEcがHレベルの場合、MOSトランジスタ74,75の接続ノードND3には出力データ信号DOcが出力される。出力許可信号OEがLレベルの場合、MOSトランジスタ74,75は共にオフ状態になるので、接続ノードND3はハイ・インピーダンス状態になる。
According to the configuration of the
保護回路80は、IOセル23_1を静電気から保護するために設けられ、ダイオード81,82を含む。ダイオード81は、接続ノードND3と電源ノード(外部電源電圧Vcc)との間に逆バイアス方向に接続される。ダイオード82は、接地ノード(接地電圧Vss)と接続ノードND3との間に逆バイアス方向に接続される。
The
[タイミング調整回路50の動作]
前述のように、図1に示すマイクロコンピュータ100の各機能ブロック(モジュール)のレイアウトは、通常、自動配線配置ツール用いて設計される。したがって、IOポート論理回路18とIOセル23_1とは必ずしも近接して配置されないし、出力データ信号DOの配線距離と出力許可信号OEの配線距離とが必ず等しくなるとも限らない。このために、図3の場合、IOポート論理回路18からIOセル23_1に至る間の配線遅延によって、出力データ信号DOと出力許可信号OEとのタイミングにずれ(スキュー)が生じる可能性がある。タイミング調整回路50が設けられていないIOセル回路において、このようなタイミングのずれが生じると出力バッファ70から出力される外部出力信号POにハザードが生じることがある。以下、図3の場合と異なり、タイミング調整回路50が設けられていない場合について、出力バッファ70からパッド24_1を介して出力される外部出力信号POに含まれるハザードの原因について説明する。
[Operation of Timing Adjustment Circuit 50]
As described above, the layout of each functional block (module) of the
図5は、出力許可信号OEの立上がり時に発生するハザードについて説明するためのタイミング図である。図5は上から順に、出力バッファ70に入力される出力データ信号DOcおよび出力許可信号OEcの波形と、外部出力信号POの波形とを示す。図5の横軸は時間を示す。
FIG. 5 is a timing chart for explaining a hazard that occurs when the output permission signal OE rises. FIG. 5 shows, in order from the top, the waveforms of the output data signal DOc and the output permission signal OEc input to the
図3、図5を参照して、方向レジスタ41の対応のビットデータは常にLレベルとする。この状態で、SCI8から出力されるSCI出力許可信号37AがLレベルからHレベルに切替わると、セレクタ43Aから出力される出力許可信号OEもLレベルからHレベルに切替わる。これに伴なって、セレクタ43Bから、SCI出力データ信号37Bに対応した出力データ信号DOが出力される。以下、出力許可信号OEが活性化されたとき、最初に出力すべき出力データ信号DOの論理レベルが“1”(Hレベル)であったとする。
3 and 5, the corresponding bit data of direction register 41 is always at L level. In this state, when the SCI output permission signal 37A output from the
時刻t1に出力バッファ70に入力される出力許可信号OEcがLレベルからHレベルに切替わる。ところが、図5の場合、時刻t1よりもタイミングの遅れた時刻t2に、出力バッファ70に入力される出力データ信号DOcがLレベルから本来出力すべきHレベルに切り替わる。この結果、時刻t1から時刻t2の間に本来出力すべきHレベルの信号と異なるLレベルの外部出力信号POが出力バッファ70から出力される。すなわち、出力許可信号OEcが活性状態の間に出力すべき論理レベル(図5では、Hレベル)に出力データ信号DOcが変化する前に、出力許可信号OEcが非活性状態(Lレベル)から活性状態(Hレベル)に切替わった場合に、出力バッファからハザードが出力される。なお、出力許可信号OEcがHレベルに切替わる時刻t1より前は、パッド24_1はハイ・インピーダンス状態(high−Z)である。
At time t1, the output permission signal OEc input to the
図6は、出力許可信号OEの立下がり時に発生するハザードについて説明するためのタイミング図である。図6は上から順に、出力バッファ70に入力される出力データ信号DOcおよび出力許可信号OEcの波形と、外部出力信号POの波形とを示す。図6の横軸は時間を示す。
FIG. 6 is a timing chart for explaining a hazard that occurs when the output permission signal OE falls. FIG. 6 shows, in order from the top, the waveforms of the output data signal DOc and the output permission signal OEc inputted to the
図3、図6を参照して、方向レジスタ41の対応のビットデータは常にLレベルとする。この状態で、SCI8から出力されるSCI出力許可信号37AがHレベルからLレベルに切替わると、セレクタ43Aから出力される出力許可信号OEもHレベルからLレベルに切替わる。以下、出力許可信号OEが非活性化される前の最後に出力すべき出力データ信号DOの論理レベルが“1”(Hレベル)であったとする。
Referring to FIGS. 3 and 6, the corresponding bit data of direction register 41 is always at L level. In this state, when the SCI output permission signal 37A output from the
時刻t4に出力バッファ70に入力される出力許可信号OEcがHレベルからLレベルに切替わる。ところが、図6の場合、時刻t4よりもタイミングの早い時刻t3に、出力バッファ70に入力される出力データ信号DOcが本来出力すべきHレベルからLレベルに切り替わる。この結果、時刻t3から時刻t4の間に本来出力すべきHレベルの信号と異なるLレベルの外部出力信号POが出力バッファ70から出力される。すなわち、出力許可信号OEcが活性状態の間に出力すべき論理レベル(図6では、Hレベル)と異なる論理レベルに出力データ信号DOcが変化した後に、出力許可信号OEcが活性状態(Hレベル)から非活性状態(Lレベル)に切替わった場合に、出力バッファ70からハザードが出力される。出力許可信号OEcがLレベルに切替わった時刻t4より後は、パッド24_1はハイ・インピーダンス状態(high−Z)である。
At time t4, the output permission signal OEc input to the
実施の形態1の各IOセル23には、上記の図5、図6で説明した原因でハザードが発生することを防止するためにタイミング調整回路50が設けられる。タイミング調整回路50は、出力バッファ70に出力データ信号DOcおよび出力許可信号OEcが入力された時点で、出力許可信号OEcが活性状態の間に出力すべき論理レベルにデータ信号DOcが変化した後に出力許可信号OEcが非活性状態から活性状態に切替わり、かつ、出力許可信号OEcが活性状態の間に出力すべき論理レベルをデータ信号DOcが保持している間に出力許可信号OEcが活性状態から非活性状態に切替わるように、出力データ信号DOおよび出力許可信号OEの少なくとも一方のタイミングを調整する。各IOセル23内に設けられたレベルシフタ67,68などによっても信号の遅延が生じるので、タイミング調整回路50によるタイミング調整はこのようなIOセル内の回路による遅延時間も考慮される。
Each
図3には、タイミング調整回路50の具体的な回路の一例として、第1および第2の信号遅延部51,52が示される。この回路は、出力データ信号DOと出力許可信号OEとがほぼ同時に変化する場合において、ハザードの発生を防止するのに有効である。
FIG. 3 shows first and second
図7は、第1および第2の信号遅延部51,52の動作を説明するためのタイミング図である。図7は上から順に、第1の信号遅延部51に入力される出力データ信号DO、第2の信号遅延部52に入力される出力許可信号OE、第1の信号遅延部51から出力される出力データ信号DOa、および第2の信号遅延部52から出力される出力許可信号OEaの各電圧波形が示される。横軸は時間を示す。図7において、図3の遅延回路53A〜53Cの各遅延時間をTd1とする。NAND回路54の遅延時間は、遅延時間Td1に比べて小さいので無視される。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the first and second
図3、図7を参照して、図7の時刻t1において、第1および第2の信号遅延部51,52にそれぞれ入力される出力データ信号DOおよび出力許可信号OEが両方ともLレベルからHレベルに切替わったとする。そうすると、遅延回路53Aによる遅延時間Td1が経過した時刻t2において、第1の信号遅延部51から出力される出力データ信号DOaがLレベルからHレベルに切替わる。さらに、遅延回路53B,53Cによる遅延時間Td1×2が経過した時刻t3に、第2の信号遅延部52のAND回路54の入力端子に入力される信号がいずれもHレベルになるので、AND回路54から出力される出力許可信号OEaがHレベルに切替わる。
Referring to FIGS. 3 and 7, at time t1 in FIG. 7, both output data signal DO and output enable signal OE input to first and second
次の時刻t4において、第1信号遅延部51に入力される出力データ信号DOおよび第2の信号遅延部52に入力される出力許可信号OEが両方ともHレベルからLレベルに切替わる。このとき、AND回路54から出力される出力許可信号OEaもLレベルに切替わる。その後、遅延回路53Aによる遅延時間Td1が経過した時刻t5に、第1の信号遅延部51から出力される出力データ信号DOaがHレベルからLレベルに切替わる。
At the next time t4, both the output data signal DO input to the first
以上のように、第1の信号遅延部51は、入力された出力データ信号DOを第1の遅延時間(Td1)だけ遅延させる。第2の信号遅延部52は、入力された出力許可信号OEの立上がりのタイミング(非活性状態から活性状態への切替わるタイミング)を第2の遅延時間(Td1×2)だけ遅延させ、立下がりのタイミングを遅延させない。この結果、出力データ信号OEaの論理レベルがHレベルである間(時刻t2〜t5)に、出力許可信号OEaを非活性状態(Lレベル)から活性状態(Hレベル)に切替えかつ活性状態(Hレベル)から非活性状態(Lレベル)に切替えることができる。
As described above, the first
図7では、単一の出力データ“1”が出力される場合を示したが、複数のデータからなるデータ列が出力されてもよい。この場合には、出力許可信号OEが活性状態の間に出力する最初のデータの論理レベルにデータ信号DOが変化した後に、出力許可信号OEを非活性状態(Lレベル)から活性状態(Hレベル)に切替え、出力許可信号OEが活性状態の間に出力する最後のデータの論理レベルをデータ信号DOが保持している間に、出力許可信号OEを活性状態(Hレベル)から非活性状態(Lレベル)に切替える。 Although FIG. 7 shows a case where single output data “1” is output, a data string including a plurality of data may be output. In this case, after the data signal DO changes to the logic level of the first data output while the output enable signal OE is in the active state, the output enable signal OE is changed from the inactive state (L level) to the active state (H level). ), While the data signal DO holds the logic level of the last data output while the output permission signal OE is in the active state, the output permission signal OE is changed from the active state (H level) to the inactive state ( L level).
遅延時間Td1は、出力許可信号OEと出力データ信号DOとのタイミングのずれに応じて決定される。このとき、SCI8、タイマ6,7などの同一の機能ブロックに対応するIOセル23に対しては同一の遅延時間Td1に設定することが好ましい。
The delay time Td1 is determined according to the timing difference between the output permission signal OE and the output data signal DO. At this time, it is preferable to set the same delay time Td1 for the
なお、遅延回路53A〜53Cの遅延時間は必ずしも同じにする必要はなく、出力許可信号OEの立下がりのタイミングの遅延を必ずしも0にする必要はない。より一般的には、出力許可信号OEが非活性状態から活性状態に切替わるタイミングの遅延時間を第1の信号遅延部51による遅延時間よりも長くし、活性状態から非活性状態に切替わるタイミングの遅延時間を第1の信号遅延部51による遅延時間よりも短くすればよい。
Note that the delay times of the
[IOセル23のレイアウトの一例]
図8は、図2のIOセル23およびパッド24のレイアウトの一例を示す平面図である。図8には、IOセル23_1,23_2およびパッド24_1,24_2のレイアウトの一例が示されている。各IOセル23および各パッド24のレイアウトは同じであるので、以下では、IOセル23_1,パッド24_1のレイアウトを代表として説明する。
[Example of layout of IO cell 23]
FIG. 8 is a plan view showing an example of the layout of the
図8に示すように、半導体基板1上には、基板端1Aに近接する側から順に領域R1〜R5が設けられる。領域R1にはパッド24_1が設けられる。領域R2には、図3の保護回路80や出力バッファ70などが設けられる。領域R3には、図3のレベルシフタ67,68や、入力データ信号DI_1用のレベルシフタや入力バッファなどが設けられる。領域R4には、図3のバッファ用のインバータ61,62などの回路が設けられる。領域R5には、図3のタイミング調整回路50が設けられる。
As shown in FIG. 8, regions R <b> 1 to R <b> 5 are provided on the
レベルシフタが設けられる領域R3を挟んで、基板端1Aに近接する側(−Y方向側)の領域R2に設けられた回路が外部電源電圧Vccで動作し、反対の+Y方向側の領域R4,R5に設けられた回路が内部電源電圧Vddで動作する。タイミング調整回路50を内部電源電圧Vddで動作させることによって、外部電源電圧Vccで動作させるよりもタイミング調整回路50に必要な回路面積を縮小することができる。さらに、外部電源電圧Vccよりも電圧の変動の少ない内部電源電圧Vddで動作させることによって、タイミング調整が容易になる。
A circuit provided in the region R2 on the side close to the substrate end 1A (the −Y direction side) across the region R3 in which the level shifter is provided operates with the external power supply voltage Vcc, and the regions R4 and R5 on the opposite + Y direction side. The circuit provided in the circuit operates with the internal power supply voltage Vdd. By operating the
[変形例]
図9〜図11は、図4の遅延回路53の変形例を示す回路図である。
[Modification]
9 to 11 are circuit diagrams showing modifications of the
図9を参照して、遅延回路55は、入力ノードINと出力ノードOUTとの間に設けられた抵抗素子84と、出力ノードOUTと接地ノード(接地電圧Vss)との間に設けられたコンデンサ85とを含む。遅延回路55の遅延時間は、抵抗素子84の抵抗値とコンデンサ85の容量値との積によって決まる。
Referring to FIG. 9,
図10を参照して、遅延回路56は、インバータなどのゲート回路86A,86Bと、否定排他的論理和回路87と、Dフリップフロップ88とを含む。否定排他的論理和回路87の第1の入力端子は遅延回路56の入力ノードINに直接接続され、第2の入力端子はゲート回路86A,86Bを介して入力ノードINに接続される。Dフリップフロップ88のクロック端子CLKは否定排他的論理和回路87の出力端子に接続され、入力端子Dは遅延回路56の入力ノードINに接続される。Dフリップフロップ88の出力端子Qは遅延回路56の出力ノードOUTに接続される。
Referring to FIG. 10,
上記の回路構成によれば、入力ノードINの入力信号が変化するとき、ゲート回路86A,86Bに応じた遅延時間の間、Dフリップフロップ88のクロック端子CLKの入力がLレベルになる。したがって、その間、Dフリップフロップ88によって入力信号が変化する前の値が保持されるので、出力ノードOUTの出力信号を遅延させることができる。
According to the circuit configuration described above, when the input signal of the input node IN changes, the input of the clock terminal CLK of the D flip-
図11を参照して、遅延回路57は、縦続接続されたゲート回路89A〜89Dと、選択回路90とを含む。初段のゲート回路89Aの入力端子は遅延回路57の入力ノードINに接続され、最終段のゲート回路89Dの出力端子は選択回路90に接続される。さらに、ゲート回路89A〜89Dの各接続ノードND4〜ND6も選択回路90に接続される。選択回路は、2ビットの選択信号SLに応じて、ゲート回路89A〜89Dのいずれか1つの出力信号を遅延回路57の出力ノードOUTに出力する。これによって、遅延回路57の遅延時間を調整することができる。
Referring to FIG. 11,
図12は、図3のタイミング調整回路50の変形例を示す回路図である。図12の変形例では、図2のタイミング調整回路50に代えて、縦続接続された複数のタイミング調整回路50A,50Bが設けられる。図12の場合には2個の場合が例示されている。したがって、図12の場合には、1個のタイミング調整回路を設けた場合に比べて出力許可信号OEおよび出力データ信号DOの遅延時間を2倍にすることができる。LSIのレイアウト設計時には、タイミング調整回路をマクロセルとして登録しておき、タイミング調整回路を縦続接続する個数を調整することで容易にタイミング調整を行なうことができる。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a modification of the
<実施の形態2>
近年の半導体プロセスの進歩によって半導体回路の素子感度が上がっているので、一旦発生したハザードは消滅することなく伝播する。このため、発生したハザードがIOセル23に入力される出力データ信号DOおよび出力許可信号OE中に含まれる場合がある。実施の形態2では、このような場合に半導体装置の外部に出力されるハザードを防止するための手段について説明する。
<
Since the device sensitivity of the semiconductor circuit has been increased by the recent progress of the semiconductor process, the hazard once generated propagates without disappearing. For this reason, the generated hazard may be included in the output data signal DO and the output permission signal OE input to the
図13は、この発明の実施の形態2による半導体装置に用いられるIOセル23A_1のうちデータ出力に関係する部分の構成を示す回路図である。図13のIOセル23A_1は、タイミング調整回路50の前段に設けられたハザード除去回路91A,91Bをさらに含む点で図3のIOセル23_1と異なる。ハザード除去回路91Aは出力データ信号DOに含まれ得るハザードを除去し、ハザード除去回路91Bは出力許可信号OEに含まれ得るハザードを除去する。図13のその他の構成は図3のIOセル23_1と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。ハザード除去回路91A,91Bは同一の構成であるので、以下では、ハザード除去回路91Aを代表として説明する。
FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a portion related to data output in IO cell 23A_1 used in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The IO cell 23A_1 in FIG. 13 is different from the IO cell 23_1 in FIG. 3 in that it further includes
ハザード除去回路91Aは、遅延回路92と、AND回路93と、NOR回路94〜96とを含む。ここで、遅延回路92として、図4、図9〜図11で説明した遅延回路のいずれを用いてもよい。
The
図13に示すように、AND回路93およびNOR回路94の各第1の入力端子には、IOポート論理回路18から出力された出力データ信号DOが入力される。AND回路93およびNOR回路94の各第2の入力端子には、遅延回路92を介して出力データ信号DOが入力される。AND回路93の出力端子はNOR回路95の第1の入力端子に接続され、NOR回路94の出力端子はNOR回路96の第1の入力端子に接続される。NOR回路95,96は、一方の出力端子が他方の第2の入力端子に接続されることによってRSフリップフロップ97を構成する。RSフリップフロップ97に入力されるAND回路93の出力信号がセット信号であり、NOR回路94の出力信号がリセット信号である。
As shown in FIG. 13, the output data signal DO output from the IO
図14は、図13のハザード除去回路91Aの動作を説明するためのタイミング図である。図14は上から順に、ハザード除去回路91Aの入力ノードND10、遅延回路92の出力ノードND11、AND回路93の出力ノードND12、NOR回路94の出力ノードND13、およびハザード除去回路91Aの出力ノードND14の各電圧波形が示される。図14の横軸は時間である。
FIG. 14 is a timing chart for explaining the operation of the
図13、図14を参照して、入力ノードND10に入力される出力データ信号DOは、時刻t3でLレベルからHレベルに切替わり、時刻t7でHレベルからLレベルに切替わる。出力データ信号DOには、時刻t1,t2にパルス幅Td2のハザードが含まれる。 Referring to FIGS. 13 and 14, output data signal DO input to input node ND10 switches from the L level to the H level at time t3, and switches from the H level to the L level at time t7. The output data signal DO includes a hazard with a pulse width Td2 at times t1 and t2.
遅延回路92の出力ノードND11の電圧波形は、入力ノードND10の電圧波形を遅延回路92の遅延時間Td3だけ遅延させることによって得られる。すなわち、出力ノードND11の電圧は、時刻t4でLレベルからHレベルに切替わり、時刻t8でHレベルからLレベルに切替わる。時刻t2,t6にハザードが含まれる。ここで、遅延回路92の遅延時間Td3はハザードのパルス幅Td2よりも大きく設定する必要がある。
The voltage waveform at the output node ND11 of the
ノードND12の電圧波形は、ノードND10,ND11の電圧波形をAND演算することによって得られる。ノードND13の電圧波形は、ノードND10,ND11の電圧波形をNOR演算することによって得られる。ノードND14の電圧波形は、ノードND12の電圧波形をセット信号とし、ノードND13の電圧波形をリセット信号としたときのRSフリップフロップの出力波形となっている。この結果、図14に示すようにノードND14の電圧波形からはハザードが除去される。 The voltage waveform at the node ND12 is obtained by ANDing the voltage waveforms at the nodes ND10 and ND11. The voltage waveform at the node ND13 is obtained by performing a NOR operation on the voltage waveforms at the nodes ND10 and ND11. The voltage waveform at the node ND14 is an output waveform of the RS flip-flop when the voltage waveform at the node ND12 is a set signal and the voltage waveform at the node ND13 is a reset signal. As a result, the hazard is removed from the voltage waveform at the node ND14 as shown in FIG.
このように実施の形態2のIOセル23Aは、タイミング調整回路50の前段にハザード除去回路91A,91Bを設けることによって、IOセル23Aから半導体装置の外部に出力される外部出力信号POに含まれ得るハザードを完全に防止することができる。したがって、図13のIOセル23Aの回路構成は、自動配置配線ツールを用いる場合に好適に用いることができる。
As described above, the
ハザード除去回路91A,91Bは、図8に示すレイアウト図では、タイミング調整回路50と同じ領域R5に配置される。ハザード除去回路91A,91Bを内部電源電圧Vddで動作させることによって、外部電源電圧Vccで動作させる場合に比べて回路面積を小さくすることができる。
The
なお、ハザード除去回路91A,91Bをタイミング調整回路50の後段に設けることは好ましくない。出力許可信号OE自身にハザードが含まれている場合にハザード除去回路91A,91Bをタイミング調整回路50の後段に設ける場合は、第2の信号遅延部52によって広がるパルス幅に応じて遅延回路92の遅延時間を決定する。
It is not preferable to provide the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
11〜19 IOポート論理回路、23,23A IOセル(インターフェース部)、24 パッド、25 内部回路、30 内部バス、50,50A,50B タイミング調整回路、51 第1の信号遅延部、52 第2の信号遅延部、67,68 レベルシフタ、70 出力バッファ、91A,91B ハザード除去回路、100 マイクロコンピュータ、DI 入力データ信号、DO 出力データ信号、OE 出力許可信号、PO 外部出力信号。 11-19 IO port logic circuit, 23, 23A IO cell (interface unit), 24 pads, 25 internal circuit, 30 internal bus, 50, 50A, 50B timing adjustment circuit, 51 first signal delay unit, 52 second Signal delay unit, 67, 68 level shifter, 70 output buffer, 91A, 91B hazard removal circuit, 100 microcomputer, DI input data signal, DO output data signal, OE output enable signal, PO external output signal.
Claims (6)
複数のパッドと、
前記複数のパッドにそれぞれ対応して設けられ、各々が、前記内部回路からデータ信号と出力許可信号とを受ける複数のインターフェース部とを備え、
前記複数のインターフェース部の各々は、
前記内部回路から受けた前記データ信号および前記出力許可信号の少なくとも一方のタイミングを調整するタイミング調整回路と、
前記タイミング調整回路によるタイミング調整後の前記データ信号および前記出力許可信号を受け、前記出力許可信号が活性状態のとき前記データ信号を対応のパッドを介して外部に出力する出力バッファとを含み、
前記複数のインターフェース部の各々において、前記タイミング調整回路は、前記出力バッファに前記データ信号および前記出力許可信号が入力された時点で、前記出力許可信号が活性状態の間に出力すべき論理レベルに前記データ信号が変化した後に前記出力許可信号が非活性状態から活性状態に切替わり、かつ、前記出力許可信号が活性状態の間に出力すべき論理レベルを前記データ信号が保持している間に前記出力許可信号が活性状態から非活性状態に切替わるように、前記データ信号および前記出力許可信号の少なくとも一方のタイミングを調整する、半導体装置。 Internal circuitry,
Multiple pads,
A plurality of interface units each provided corresponding to the plurality of pads, each receiving a data signal and an output permission signal from the internal circuit;
Each of the plurality of interface units is
A timing adjustment circuit that adjusts the timing of at least one of the data signal and the output permission signal received from the internal circuit;
An output buffer that receives the data signal after timing adjustment by the timing adjustment circuit and the output permission signal, and outputs the data signal to the outside via a corresponding pad when the output permission signal is in an active state;
In each of the plurality of interface units, the timing adjustment circuit has a logic level that should be output while the output permission signal is in an active state when the data signal and the output permission signal are input to the output buffer. The output permission signal is switched from the inactive state to the active state after the data signal is changed, and the data signal holds the logic level to be output while the output permission signal is in the active state. A semiconductor device that adjusts timing of at least one of the data signal and the output permission signal so that the output permission signal is switched from an active state to an inactive state.
前記データ信号を第1の遅延時間だけ遅延させる第1の信号遅延部と、
前記出力許可信号が非活性状態から活性状態に切替わるタイミングを前記第1の遅延時間よりも長い第2の遅延時間だけ遅延させ、活性状態から非活性状態に切替わるタイミングを遅延させないか、もしくは、前記第1の遅延時間よりも短い第3の遅延時間だけ遅延させる第2の信号遅延部とを有する、請求項1に記載の半導体装置。 The timing adjustment circuit includes:
A first signal delay unit for delaying the data signal by a first delay time;
The timing at which the output permission signal is switched from the inactive state to the active state is delayed by a second delay time longer than the first delay time, and the timing at which the output permission signal is switched from the active state to the inactive state is not delayed, or The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a second signal delay unit that delays a third delay time shorter than the first delay time.
前記データ信号を初段に受ける縦続接続された複数の第1の信号遅延部と、
前記出力許可信号を初段に受け、前記複数の第1の信号遅延部と同数の縦続接続された複数の第2の信号遅延部とを有し、
前記複数の第1の信号遅延部の各々は、入力された信号を第1の遅延時間だけ遅延させ、
前記複数の第2の信号遅延部の各々は、入力された信号が非活性状態から活性状態に切替わるタイミングを前記第1の遅延時間よりも長い第2の遅延時間だけ遅延させ、活性状態から非活性状態に切替わるタイミングを遅延させないか、もしくは、前記第1の遅延時間よりも短い第3の遅延時間だけ遅延させる、請求項1に記載の半導体装置。 The timing adjustment circuit includes:
A plurality of first signal delay units connected in cascade to receive the data signal in the first stage;
Receiving the output permission signal in the first stage, and having the same number of cascaded second signal delay units as the plurality of first signal delay units,
Each of the plurality of first signal delay units delays an input signal by a first delay time,
Each of the plurality of second signal delay units delays the timing at which the input signal is switched from the inactive state to the active state by a second delay time longer than the first delay time, 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the timing of switching to the inactive state is not delayed or is delayed by a third delay time shorter than the first delay time.
同じグループに属する各インターフェース部には、互いに等しい前記第1〜第3の遅延時間がそれぞれ設定される、請求項3に記載の半導体装置。 The plurality of interface units are divided into a plurality of groups,
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first to third delay times that are equal to each other are set in each interface unit belonging to the same group.
前記複数のインターフェース部の各々は、前記出力バッファと前記タイミング調整回路との間に設けられ、前記データ信号および前記出力許可信号の信号レベルをそれぞれ増加させる第1および第2のレベルシフタをさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。 The drive voltage of the output buffer is higher than the drive voltage of the timing adjustment circuit,
Each of the plurality of interface units further includes first and second level shifters that are provided between the output buffer and the timing adjustment circuit and increase the signal levels of the data signal and the output permission signal, respectively. The semiconductor device according to claim 1.
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