Конспект по дисциплине«Узлы и устройства ЭВМ» Комбинационная логика
(Альшевский А. Н., Фураев И. А.)
Типа оглавление |
|
Разновидности интегральных микросхем. ....................................................................................... |
2 |
1. Полупроводниковые интегральные схемы.................................................................................... |
2 |
2. Гибридные интегральные схемы.................................................................................................... |
2 |
3. Совмещенные интегральные схемы............................................................................................... |
2 |
4. Микросхемы функциональной электроники................................................................................. |
2 |
Параметры и характеристики цифровых элементов:.................................................................... |
2 |
Степень и уровень интеграции........................................................................................................... |
3 |
Функциональная сложность. .............................................................................................................. |
3 |
Способ кодирования............................................................................................................................ |
3 |
Быстродействие.................................................................................................................................... |
4 |
Потребляемая мощность. .................................................................................................................... |
5 |
Помехоустойчивость. .......................................................................................................................... |
6 |
Коэффициент разветвления или нагрузочная способность............................................................. |
7 |
Площадь кристалла интегральной схемы.......................................................................................... |
8 |
Площадь логического элемента на кристалле. ................................................................................. |
9 |
Работа переключения (интегральный критерий качества). ......................................................... |
9 |
Типы выходов логических элементов. .............................................................................................. |
9 |
Обозначение логических элементов................................................................................................. |
11 |
Маркировка элементов....................................................................................................................... |
11 |
Отечественная маркировка............................................................................................................... |
11 |
Зарубежная маркировка. ................................................................................................................... |
12 |
Классификация систем элементов. .................................................................................................. |
12 |
Формирователи импульсных сигналов........................................................................................... |
13 |
Элемент задержки.............................................................................................................................. |
13 |
Автоколебательный генератор прямоугольных импульсов. ......................................................... |
14 |
Генератор с изменяемой скважностью. ........................................................................................... |
15 |
Формирователь одиночных импульсов заданной длительности.................................................. |
16 |
Детекторы фронтов............................................................................................................................ |
18 |
Схемы изменения длительности импульса. .................................................................................... |
19 |
Схемы для устранения дребезга механических контактов............................................................ |
20 |
Мультиплексор (КУ). .......................................................................................................................... |
20 |
Дешифратор. ......................................................................................................................................... |
26 |
Шифратор.............................................................................................................................................. |
31 |
Демультиплексор. ................................................................................................................................ |
34 |
1
Элементы (в широком смысле) – наименьшие функциональные части, на которые разбивают цифровое устройство при логическом проектировании и технической реализации.
Иерархия уровней элементов:
1.Электронные компоненты (простейшие элементы) (элементы в узком смысле): резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы.
2.Логические и запоминающие элементы: коньюнкторы, дизьюнкторы, элементы Шеффера, элементы Пирса и др., различные виды триггеров.
3.Функциональные узлы или субсистемы: регистры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры и сумматоры.
4.Функциональные устройства: АЛУ, запоминающие устройства и др.
5.Вычислительная машина в целом: микроконтроллеры.
Каждый из уровней элементов выпускается в виде интегральных микросхем (ИС). Каждый предшествующий уровень является основой для следующего.
Разновидности интегральных микросхем.
Существует 4 типа интегральных схем:
1.Полупроводниковые ИС.
2.Гибридные ИС.
3.Совмещенные ИС.
4.Микросхемы функциональной электроники.
1.Полупроводниковые интегральные схемы.
Изготавливаются на основе активной, обычно кремниевой, подложке. Все элементы изготавливаются на поверхности или в объеме подложки в одном технологическом процессе.
Технологические линии по производству получаются дорогие, а сами микросхемы дешевые.
2. Гибридные интегральные схемы.
Изготавливаются на пассивной подложке (стекло, керамика), на которую методом пленочной технологии напыляют пассивные элементы. Активные элементы (бескорпусные транзисторы и диоды) являются навесными.
Оборудование для производства проще и дешевле, чем в полупроводниковых ИС, микросхемы же получаются дорогими.
3. Совмещенные интегральные схемы.
Активные элементы изготавливаются в объеме активной подложки (например, кремний), пассивные же элементы напыляются на поверхность методом пленочной технологии.
Оборудование дорогое (занимает промежуточное положение между 1 и 2), микросхемы тоже не и дешевые (между 1 и 2). По этой технологии могут изготавливать полузаказные БИС.
4. Микросхемы функциональной электроники.
Строятся на основе комплексного использования свойств твердого тела. Интегральные микросхемы просты, но реализуют сложные функциональные зависимости.
Пример:
пьезоэлектрические фильтры
термоэлектрические и газоэлектрические преобразователи
и др.
Параметры и характеристики цифровых элементов:
1.Степень и уровень интеграции.
2.Функциональная сложность.
3.Способ кодирования.
4.Быстродействие.
5.Потребляемая мощность.
2
6.Помехоустойчивость.
7.Коэффициент разветвления или нагрузочная способность.
8.Площадь кристалла.
9.Площадь логического элемента на кристалле.
10.Общие технические характеристики:
Надежность.
Габариты
Вес.
Устойчивость к спец. воздействиям.
Стоимость.
Степень и уровень интеграции.
Уровень интеграции - NЭЭ, определяется количеством электронных элементов. Степень интеграции: ] lg NЭЭ [
|
|
|
|
|
Уровень |
|
Степень |
|
|
МИС |
Малые ИС |
До 100 |
1,2 |
|
|||
|
СИС |
Средние ИС |
До 1 000 |
2,3 |
|
|||
|
БИС |
Большие ИС |
До 10 000 |
3,4 |
|
|||
|
СБИС |
Сверхбольшие ИС |
До 1 000 000 |
|
До 6 |
|
||
|
УБИС |
Ультрабольшие ИС |
До 1 000 000 000 |
|
До 9 |
|
||
|
ГБИС |
Гигабольшая ИС |
Более 1 000 000 000 |
|
Более 9 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
486 |
|
Р1 |
|
Р4 |
|
Nээ(транзисторов) |
|
1,2 млн. |
|
3,1 млн. |
|
42 млн. |
||
Функциональная сложность.
Характеризуется уровнем и степенью функциональной сложности.
Уровень функциональной сложности – NЛЭ – количество логических элементов внутри микросхемы. Степень функциональной сложности ] lg NЛЭ [
Функциональная сложность показывает насколько сложную логическую схему можно получить из данной микросхемы.
Способ кодирования.
Внастоящее время наиболее часто используется двоичная логика.
Взависимости от того, как физически представляется 0 и 1, кодирование делится на потенциальное и импульсное.
Потенциальное:
Импульсное:
А)
Б) 
В) 
Существует соглашение о положительной логике и отрицательной логике, в зависимости от того “0” или “1” выше по значению напряжения (тока).
Положительная логика: |
Отрицательная логика: |
3
В большинстве случаев используют положительную логику, но бывают и исключения. Микросхемы оперируют с физическими величинами, по этому их таблицы истинности приводят не в
терминах “0” и “1”, а в терминах “H” и “L” (High, Low).
Положительная логика: “H” – 1, “L” – 0; Отрицательная логика: “H” – 0, “L” – 1. Пример:
Полож. логика: Отриц. логика:
x1 |
x2 |
y |
|
x1 |
x2 |
y |
|
x1 |
x2 |
y |
L |
L |
L |
|
0 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
L |
H |
H |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
H |
L |
H |
|
1 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
H |
H |
H |
|
1 |
1 |
1 |
|
0 |
0 |
0 |
Быстродействие.
Является одной из основных характеристик, определяющей производительность вычислительной системы. Реальный процесс переключения описывается достаточно сложно, по этому используют простейшую модель при оценке быстродействия – среднее время задержки элемента.
tЗ.СР. tЗ0 1 tЗ1 0 , 2
Где tЗ0 1,tЗ1 0 - задержка элемента при переключении его выхода из “0” в “1” и из “1” в “0”
соответственно.
Для измерения времени задержки обычно собирается цепочка (схема) из четного числа инвертирующих элементов.
Из 2n-элементов – n переключается из “1” в “0”, а половина из “0” в “1”.
t tЗ.ВХ ВЫХ З.СР. 2n
В паспорте микросхемы помимо времени задержки иногда приводят длительность фронтов переключения.
4
tЗ.СР. 0,1 100нс (в современных ИС)
0,1 – задержка элемента внутри БИС.
100 нс – задержка в медленных элементах, которые используются для вывода информации на индикаторы.
Потребляемая мощность.
Различают 2 вида мощности: статическая и динамическая.
Статическая мощность. РСТ
Это мощность, потребляемая не переключающимся элементом от источника питания. Статическая мощность может отличаться, если на выходе элемента “0”, либо “1”.
ТТЛ и ТТЛШ:
РСТ0 > РСТ1 (0 и 1 – состояние на выходе элемента).
РСТ интересно в отношении элементов, не используемых в схеме, но находящихся в микросхеме, т.е. свободных элементов.
КМОП:
PСТ UИП |
IВХ0 IВХ1 |
|
2 |
||
|
UИП - напряжение источника питания.
IВХ0 - входной ток потребления в “0” при напряжении на входе U ЛОГ0 ,
IВХ0 - входной ток потребления в “1” при напряжении на входе U 1ЛОГ .
Входные напряжения подаются на затворы транзисторов. Через затвор ток течь не может, так как между затвором (проводником) и каналом лежит диэлектрик => IВХ0 IВХ1 0 => PСТ 5 0 2 0 0
Динамическая мощность. РДИН
Это дополнительная мощность, потребляемая во время переключений элемента. Динамическая мощность обуславливается двумя причинами:
Сквозными токами.
Перезарядом паразитных емкостей на выходе элемента.
Сквозные токи возникают в момент, когда К1 на выходе микросхемы размыкается, а К2 – замыкается. Возникает короткий момент времени, когда оба ключа замкнуты. Сквозные токи возникают в ТТЛ-системе элемента.
Вторая причина постоянными зарядами и разрядами паразитной емкости на выходе элемента. Предположим, перед переключением система находилась в состоянии изображенном на рисунке:
5