2Теоретическая часть. Конспект лекций и методический материал для подготовки к лабораторным занятиям

2.1Интегральные устройства на основе цифровой электроники

2.1.1Предназначение и классификация программируемых логических интегральных схем (плис).

Интегральные схемы (ИС) – это электронные приборы, выполненные на тонких полупроводниковых пластинах, содержащие электронные элементы и выполненные внутри корпуса определённого типа.

ИС со времени изобретения в США в 1959 г. постоянно совершен­ствуются и усложняются. Быстрый прогресс в области изготовления интегрируемых схем привел к резкому росту объёма их производства и снижению стоимости. В результате использования ИС стало возможным не только в сложных специализированных устройствах (таких, как ЭВМ), но и в разнообразных измерительных приборах, управляющих и контролирующих системах. Круг потребителей ИС непрерывно расширяется.

Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов (ЛЭ) [Logic(al) Element/Component/Gate/Unit], либо числом транзисторов, которые размещены на кристалле.

В зависимости от уровня интеграции ИС делятся на несколько категорий: МИС, СИС, БИС, СБИС, УБИС (соответственно малые, средние, большие, сверхболь­шие, ультрабольшие ИС).

МИС [SSI = Small/Standard Scale Integration – малая/стандартная степень (уровень) интеграции] – это МС с очень небольшим числом элементов (несколько десятков). МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают очень большой уни­версальностью – даже с помощью одного типа ЛЭ (например, И-НЕ) можно построить любое ЦУ.

СИС [MSI = Medium Scale Integration – средняя степень (уровень) интеграции] – это МС со степенью интеграции от 300 до нескольких тысяч транзисторов (обычно до 3000). В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как малоразрядные регистры, счётчики, дешиф­раторы, сумматоры и т. п. Номенклатура СИС должна быть более широкой и разнообразной, т. к. их универсальность по сравнению с МИС снижается. В развитых сериях стандартных ИС насчитываются сотни типов СИС.

БИС [LSI = Large Scale Integration – большая (высокая) степень (уровень) интеграции] – ИС с числом логических вентилей от 1000 до 5000 (в некоторых классификациях – от 500 до 10000). Первые БИС были разработаны в начале 70-х годов прошлого века.

СБИС [VLSI = Very Large-Scale Integration – очень большая (высокая) степень (уровень) интеграции или GSI = Giant Scale Integration – гигантская (сверхбольшая, сверхвысокая) степень (уровень) интеграции] – это МС, содержащие на кристалле от 100000 до 10 млн. (VLSI) илиболее 10 млн. (GSI) транзисторов или логических вентилей.

УБИС [ULSI = Ultra Large Scale Integration – ультрабольшая (ультравысокая) степень (уровень) интеграции] – это ИС, в которых число транзисторов на кристалле составляет от 10 млн. до 1 млрд. К таким схемам можно отнести современные процессоры.

С появлением технологий БИС и СБИС схемы с тысячами и миллионами ЛЭ стали размещаться на одном кристалле. При этом про­блема снижения универсальности для ИС с жёсткой структурой обострилась бы чрезвычайно – пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объёма производства каждого из типов, что непомерно увеличило бы их стоимость, т. к. высокие затраты на проектирование БИС/СБИС от­носились бы к небольшому объёму их выпуска.

Выход из возникшего противоречия был найден на пути переноса специали­зации микросхем в область программирования. Появились микропроцессо­ры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

Микропроцессор (МП) способен выполнять команды, входящие в его систему команд. Меняя последовательность и состав команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же МП. Иначе гово­ря, в этом случае структура аппаратных средств не связана с характером ре­шаемой задачи. Это обеспечивает микропроцессорам массовое производство с соответствующим снижением стоимости.

В виде БИС/СБИС с программируемой структурой потребителю предлагается кристалл, содержащий множество логических блоков, межсоединения для которых назначает сам системотехник. Промышленность получает возможность производить кристаллы массовым тиражом, не адресуясь к отдельным потребителям. Системотехник сам программирует структуру ИС соответст­венно своему проекту. Разработан целый спектр методов программирования связей между блоками и элементами кристалла.

Два указанных вида устройств и, соответственно, два метода программирования имеют большие различия. Микропроцессоры реализуют последовательную обработку информации, выполняя большое число отдель­ных действий, соответствующих командам, что может не обеспечить требуе­мого быстродействия. В БИС/СБИС с программируемой структурой обработ­ка информации возможна без разбиения этого процесса на последовательно выполняемые элементарные действия. Задача чаще всего решаться “целиком”, её характер определяет структуру устройства. Преобразование данных происхо­дит одновременно (параллельно) во многих частях устройства. Сложность устройства зави­сит от сложности решаемой задачи, что не всегда справедливо для микропроцессорных систем, где сложность задачи в основном влияет лишь на программу, а не на аппаратные средства её выполнения.

Таким образом, БИС/СБИС с программируемой структурой могут быстрее решать задачи, сложность которых ограничена уровнем интеграции МС, а микропроцессорные средства – задачи неограниченной сложности, но с меньшим быстродействием. Оба направления открывают ценные пер­спективы дальнейшего улучшения технико-экономических показателей соз­даваемой на них аппаратуры. Более того, современные кристаллы высшего уровня интеграции содержат одновременно и микропроцессоры, и большие массивы программируемой логики, обладая в силу этого большими функ­циональными возможностями. Подобная структура свойственна микросхе­мам класса “система на кристалле” [SoC (SOC) = System on Chip/Crystal – система на чипе/кристалле или SOS = Systems On Silicon) – система на силиконе], важная роль которых в проектировании современной аппаратуры неоспорима.