Інтегральні мікросхеми

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інтегральні мікросхеми

Перші транзистори поставлялися у вигляді окремих компонентів, в невеликих металічних корпусах. Через деякий час виникла ідея втілити всю електричну схему цілком на одному корпусі напівпровідника. Вперше ця ідея була запропонована в статті, надрукованій в 1952 р., автором якої був британський експерт в області радіолокації дж. Даммер (G.W.A. Dummer). Обговорення цієї ідеї і можливості її реалізації продовжувалися до тих пір, поки літом 1958 р. Джеку Кілбі (Jack Kilby) з компанії Texas Instruments не вдалося створити генератор з фазовим зсувом, який складався з п'яти компонент, розміщених на одному куску напівпровідника.

Майже в той же час, поки Д. Кілбі працював над своїм генератором, два засновники компанії Fairchild Semiconductor, швейцарський фізик Джін Хорні (Jean Hoerni) і американський фізик Роберт Нойс (Robert Noyce), розробили основи технології оптичної літографії, яка і сьогодні використовується для створення транзисторів, ізолюючих шарів і між елементних з'єднань в сучасних мікросхемах.

В середині 60-х років Texas Instruments представила велике сімейство базових мікросхем 54-ї і 74-ї серій, які призначалися відповідно для військових і комерційних цілей. Ці пристрої розміром ѕ дюйма (1,89 см) в довжину і 3/8 дюйма (0,95 см) в ширину, мали 14 або 16 виводів і містили невеликий набір простої логіки.

54-а і 74-а серії мікросхем компанії Texas Instruments виготовлялись по технології ТТЛ. Але вже в 1968 році компанія RCA анонсувала практично еквівалентний набір КМОН мікросхем, який назвали серією 4000.

Статичне і динамічне ОЗП, мікропроцесори

Кінець 60-х і початок 70-х років 20-го століття стали врожайними на розробки в області інтегральних мікросхем. Так, в 1970 р. компанія Intel анонсує першу 1024-бітну мікросхему динамічного ОЗП (модель 1113), а компанія Fairchild представляє першу 256-бітну мікросхему статичного ОЗП (модель 4100).

Через рік, в 1971 р., Intel демонструє перший в світі мікропроцесор (МП), так звану модель 4004, розробниками якої були Марсіан Хофф, відомий як Тед (Marcian «Ted» Hoff), Стан Мазор (Stan Mazor) і Фегтгн (Federico Faggin). Мікропроцесор 4004 представляв собою «комп'ютер на кристалі» містив всього тільки 2300 транзисторів і міг виконувати 6000 операцій за секунду.

Не дивлячись на те, що 4004-й часто згадується як перший мікропроцесор, на це звання претендували багато фірм. Так, в лютому 1968 р. компанія International Research Corporation представила розробку пристрою, яка відноситься до класу «комп'ютер на кристалі». В 1979-му році, за рік до того, як мікропроцесор 4004 побачив світ, деякий Гілберт Хайатт (Gilbert Hyatt) подав заявку на патент під назвою «Принцип побудови однокристального комп'ютера». Але мікропроцесор 4004 був першим фізично реалізованим мікропроцесором, який випускався серійно.

Мікропроцесори і мікросхеми статичного ОЗП заслуговують особливої уваги, так як більшість сучасних ПЛІС базуються на комірках статичного ОЗП, а деякі їх сучасні високотехнологічні представники містять вбудовані ядра.

Прості і складні програмовані логічні пристрої

Перші програмовані інтегральні мікросхеми можна віднести до програмованих логічних пристроїв (ПЛП). Вони з'явилися в 70-ті роки у вигляді мікросхем ППЗП і були достатньо примітивними. Тільки до кінця 70-років з'явилися більш складні версії цих пристроїв. Щоби відрізнити їх від менш складних попередників, які все ще знаходять використання в наші дні, ці пристрої стали називати складними ПЛП (CPLD - complex programmable logic devices). Природно, що пізніше менш складні пристрої стали називати простими ПЛП (SPLD - simple programmamble logic devices).

Для простих ПЛП існує багато похідних архітектур, багато з яких позначаються абревіатурами з різних комбінацій тих же трьох або чотирьох букв.

Перепрограмовуючі постійні запам'ятовуючі пристрої

Першими представниками простих ПЛП були мікросхеми перепрограмовуючих запам'ятовуючих пристроїв (ППЗП), які з'явилися в 70-ті роки. Представимо їх такими, що складаються з фіксованого масиву логічних функцій І, під'єднаного до програмованого масиву логічних функцій АБО.

Для прикладу розглянемо роботу ППЗП з трьома входами і трьома виходами. В якості програмованих зв'язків в масиві елементів АБО можуть використовуватися перемички, що плавляться. В дійсності кожна функція І наперед визначеного масиву має три входи, які під'єднані до прямих або інвертованих входів a, b, c пристрою. Аналогічно кожна функція АБО програмованого масиву має вісім входів, які під'єднані до виходів масиву функцій І.

Мікросхеми ППЗП спочатку призначалися для зберігання програмних команд і значень констант, тобто для виконання функція комп'ютерної пам'яті. Але розробники використовують їх також для реалізації простих логічних функцій, таких як таблиці відповідності або скінченні автомати. В дійсності мікросхеми ППЗП можуть використовуватися для реалізації будь-якого блоку комбінаційної логіки, або комбінаційного пристрою, при умові, що він має невелике число входів і виходів. Наприклад, простий ППЗП з трьома входами і трьома виходами може використовуватися для синтезу будь-якої комбінаційної функції з не більше, ніж трьома вхідними і трьома вихідними параметрами.

Програмовані логічні матриці, програмована матрична логіка, базові матричні кристали

У цифрові системи обробки інформації входять процесор, пам'ять, периферійні пристрої та інтерфейсні схеми. Процесор є стандартним пристроєм - він не виготовляється для конкретної системи за спеціальним замовленням, а вирішує необхідне завдання шляхом послідовного виконання певних команд з властивої йому системи команд.

Пам'ять також реалізується стандартними мікросхемами - її функції залишаються одними і тими ж для різних систем.

Стандартні ВІС/НВІС лідирують за рівнем інтеграції, так як висока вартість проектування оптимізованих по густині ВІС/НВІС, що досягає сотень мільйонів доларів, виявляється в даному випадку прийнятною, оскільки поділяється на велику кількість вироблених мікросхем.

Поряд зі стандартними в системі присутні і деякі нестандартні частини, специфічні для даної розробки. Це відноситься до схем управління блоками, забезпечення їх взаємодії та ін. Реалізація нестандартної частини системи історично була пов'язана із застосуванням мікросхем малого і середнього рівнів інтеграції. Застосування мікросхем цих рівнів супроводжується різким зростанням числа корпусів гнтегральних схем (ІС), ускладненням монтажу, зниженням надійності системи і її швидкодії. У той же час замовити для системи спеціалізовані ІС високого рівня інтеграції важко, так як це пов'язано з дуже великими затратами коштів і часу на проектування ВІС/НВІС.

Виникле протиріччя знайшло своє розв'язання шляхом розробки ВІС/НВІС з програмованою і репрограмованою структурою.

Першими представниками зазначеного напрямку з'явилися програмовані логічні матриці ПЛМ (PLA, Programmable Logic Array), програмована матрична логіка ПМЛ (PAL, Programmable Array Logic) і базові матричні кристали БМК, які називають також вентильними матрицями ВМ (GA, Gate Array).

PLA і PAL в англійській термінології об'єднуються також терміном PLD (Programmable Logic Devices - програмовані логічні пристрої).

Розвиток ВІС/НВІС з програмованою і репрограмованою структурою виявився настільки перспективним напрямком, що призвів до створення нових ефективних засобів розробки цифрових систем, таких як CPLD (Complex PLD), FPGA (Field Programmable GA) і SPGA (System Programmable GA).

У рамках сучасних ВІС/НВІС з програмованою і репрограмованою структурою стала вирішуватися і задача створення цілої системи на одному кристалі.

Програмовані логічні матриці і програмована матрична логіка (ПЛМ і ПМЛ)

Програмовані логічні матриці. Програмовані логічні матриці з'явилися в середині 70-х років.

Основою їх служить послідовність програмованих матриць елементів І та АБО. У структуру входять також блоки вхідних і вихідних буферних каскадів (БВх і БВих).

Вхідні буфери, якщо не виконують більш складних дій, перетворюють однофазні вхідні сигнали в парафазні і формують сигнали необхідної потужності для живлення матриці елементів І.

Вихідні буфери забезпечують необхідну навантажувальну здатність виходів, дозволяють або забороняють вихід ПЛМ на зовнішні шини з допомогою сигналу ОЕ, а іноді виконують і більш складні дії.

Основними параметрами ПЛМ є число входів m, число термів l, число виходів n.

мікросхема матриця логіка інтегральний

Базова структура ПЛМ

Змінні х₁,…х_m подаються через БВх на входи елементів І (кон'юнкторов), і в матриці І утворюються l термів. Під термом тут розуміється кон'юнкція, що зв'язує вхідні змінні, представлені в прямій або інверсної формі. Число термів, що формуються, дорівнює числу кон'юнкторов або, що те ж саме, кількості виходів матриці І.

Терми подаються далі на входи матриці АБО, тобто на входи диз'юнкторів, які формують вихідні функції. Число діз'юнкторов дорівнює числу логічних функцій n.

Таким чином, ПЛМ реалізує диз'юнктивну нормальну форму (ДНФ) відтворюваних логічних функцій (дворівневу логіку). ПЛМ здатна реалізувати систему n логічних функцій від m аргументів, що містіть не більше l термів. Відтворювані логічні функції є комбінаціями з будь-якого числа термів, формованих матрицею І. Які саме терми будуть вироблені і які комбінації цих термів ввійдуть до складу вихідних функцій, визначається програмуванням ПЛМ.

Схемотехніка ПЛМ

Випускаються ПЛМ як на основі біполярної технології, так і на МОН-транзисторах. У матрицях є системи горизонтальних і вертикальних зв'язків, у вузлах перетину яких при програмуванні створюються або ліквідуються елементи зв'язку.

Елементами зв'язків в матриці І служать діоди, що з'єднують горизонтальні і вертикальні шини. Спільно з резистором і джерелом живлення кола отримання термів утворюють звичайні діодні схеми І. До програмування всі перемички цілі, і діоди зв'язку розміщені у всіх вузлах координатної сітки. При будь-якій комбінації аргументів на виході буде нуль, так як на вхід схеми подаються одночасно прямі і інверсні значення аргументів, а . При програмуванні у схемі залишаються тільки необхідні елементи зв'язку, а непотрібні усуваються перепалювання перемичок. У даному випадку на вхід кон'юнктура подані , і . Високий рівень вихідної напруги (логічна «1») з'явиться тільки при наявності високих напруг на всіх входах, низька напруга хоча б на одному вході фіксує вихідну напругу на низькому рівні, так як відкриється діод цього входу. Так виконується операція І, в даному випадку виробляється терм .

Програмування ПЛМ

Програмування ПЛМ, що виконується користувачем, проводиться за допомогою спеціальних пристроїв (програматорів) і відомості для них про дану ПЛМ повинні мати певну форму. Є програматори, які приймають в якості інформації про ПЛМ таблицю істинності, проте зручніше задавати інформацію про самі перемички. Символи, що використовуються при такому завданні відомостей для програмування ПЛМ:

- H - змінна входить в терм в прямому вигляді, тобто потрібно залишити цілою перемичку прямого входу і перепалити перемичку інверсного входу;

- L - змінна входить в терм в інверсному вигляді, тобто потрібно зберегти перемичку у інверсного входу і перепалити у прямого;

- «-» - змінна не входить в терм і не повинна впливати на нього, тобто потрібно перепалити перемички обох входів. Залишення перемичок у обох входів змінної як би усуває з матриці відповідну схему І, оскільки в силу рівності вихід цієї схеми завжди нульовий і не впливає на роботу матриці АБО, на вхід якої подається;

- А - вказується у вихідному стовпці (стовпці функції) і свідчить про зв'язок даної схеми І з виходом ПЛМ через матрицю АБО. Перемичка повинна бути збережена;

-».» - вказує на те, що дана схема І не підключається до виходу і повинна мати перепалену перемичку в матриці АБО.

У прийнятій символіці для програмування ПЛМ взятого раніше прикладу відомості будуть задані таблицею (табл. 3.1).

Спрощене зображення схем ПЛМ

Схеми ПЛМ досить громіздкі, і тому зображати їх бажано з максимально можливим спрощенням. Використовуються зображення, в яких багатовходові елементи І, АБО умовно замінюються одновходовими.

Єдина лінія входу таких елементів перетинається з декількома лініями вхідних змінних. Якщо пересічення відмічено точкою, дана змінна подається на вхід зображуваного елемента, якщо точки немає, то змінна на елемент не подається.

Відтворення дужкових форм логічних функцій

За допомогою ПЛМ можна відтворювати не тільки диз'юнктивні нормальні форми логічних функцій, але і дужкові форми.

У цьому випадку спочатку отримують вираження в дужках, а потім вони розглядаються як аргументи для отримання остаточного результату. У схемі з'являються обернені зв'язки - проміжні результати з виходу знову подаються на входи, логічна глибина схеми збільшується, затримка вироблення результату зростає. Нехай, наприклад, потрібно отримати функцію:

.

Нарощування (розширення) ПЛМ

Якщо розмірність задачі перевершує можливості наявних ПЛМ, доводиться їх нарощувати. Коли число функцій у системі N перевершує число виходів ПЛМ, кілька ПЛМ включаються паралельно по входам. На виходах кожної з ПЛМ відтворюється частина функцій. Загальне число ПЛМ визначається як mod (N/n). Так як кількість термів передбачається достатньою (L_сист <l), всі ПЛМ можуть бути запрограмовані на одні й ті ж терми.

Якщо число термів системи lсист перевищує число термів ПЛМ (Lсист> l), то до однієї ПЛМ підключаються додаткові з тим же числом входів і виходів.

По входам ПЛМ включаються паралельно, а відповідні виходи з'єднуються по АБО або просто об'єднуються, якщо це виходи з третім станом чи можливостями монтажної логіки. Кожна ПЛМ програмується на свої терми, потім з термів «збираються» на виходах потрібні функції.

Розширення числа входів - найбільш складна задача, пов'язана з декомпозицією системи функцій. В окремому випадку, якщо всі терми містять не більше m змінних, множину термів можна розбити на підмножини, що містять не більше m однакових змінних. Для реалізації буде потрібно число ПЛМ, яке рівне числу підмножин, а виходи ПЛМ будуть з'єднані так само, як і при розширенні числа термів. Вхідними змінними кожної ПЛМ будуть тільки ті, що зв'язані з утворенням термів даної підмножини.

Часто в числі вхідних змінних ПЛМ є тактуючі сигнали, взаємно виключаючі один одного в сенсі одночасності входження в терми. Такі сигнали можна розділити на групи (підмножини), кожна з яких разом з рештою змінними може оброблятися окремою ПЛМ.

Стандартним прийомом розширення ПЛМ по входах є перенесення надлишкового числа аргументів на попередній дешифратор, виходи якого дозволяють роботу однієї з ПЛМ, яка обробляє решту аргументів. Цей прийом розглядався раніше стосовно до нарощування дешифраторів та інших схем. Для значного розширення числа входів цей прийом мало придатний, так як надлишкові змінні утворюють слова, що піддаються повному дешифруванню, що різко збільшує число ПЛМ в схемі (подвоює з додаванням кожного надлишкового входу).

Перші вітчизняні ПЛМ були випущені в складі серії К556 (мікросхеми РТ1, РТ2 технології ТТЛШ з програмуванням пропалюванням перемичок). Їх розмірність - 16 входів, 48 термів, 8 виходів, затримка біля 50 нсек. Мікросхема РТ1 має виходи з відкритим колектором. Мікросхема РТ2 має виходи з трьома станами.

Програмована матрична логіка

Одне з важливих застосувань ВІС програмованої логіки - заміна ІС малого та середнього рівня інтеграції при реалізації так званої довільної логіки. У цих цілях логічна потужність ПЛМ часто використовується неповно. Це проявляється, зокрема, при відтворенні типових для практики систем логічних функцій, які не мають великих перетинів один з одним за однаковими термами. У таких випадках можливість використання виходів будь-яких кон'юнкторів будь-якими діз'юнкторами (як передбачено в ПЛМ) стає зайвим ускладненням. Відмова від цієї можливості означає відмову від програмування матриці АБО і призводить до структури ПМЛ (PAL, GAL).

В ПМЛ виходи елементів І (виходи першої матриці) жорстко розподілені між елементами АБО (входами матриці АБО). У зображеної ПМЛ м входів, п виходів і 4п елементів І, оскільки кожному елементу АБО додається по чотири кон'юнктора. В порівнянні з ПЛМ схеми ПМЛ мають меншу функціональну гнучкість, так як в них матриця АБО фіксована, але їх виготовлення і використання простіше. Переваги ПМЛ особливо проявляються при проектуванні нескладних пристроїв.

Підготовка задач до розв'язання на ПМЛ має багато спільного з підходом до розв'язання задач на ПЛМ, але є й відмінності. Для ПМЛ важливо зменшити число елементів І для кожного виходу, але якщо для ПЛМ прагнуть шукати представлення функції з найбільшим числом спільних термів, то для ПМЛ це не потрібно, оскільки елементи І фіксовані за своїм виходам і не можуть бути використані іншими виходами.

Размещено на Allbest.ru