Cyfrowe układy scalone

Transkrypt

1 Cyfrowe układy scalone Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Cyfrowe układy scalone Układy cyfrowe kombinacyjne realizują określoną funkcje logiczne - od najprostszych (bramki), do nieraz bardzo złożonych.

3 Cyfrowe układy scalone technologie i rodziny

4

5 Cyfrowe układy scalone bipolarne Pierwsze rodziny scalonych układów cyfrowych należały do grupy bipolarnych. Większość z nich wyszła już z użycia: RTL (Resistor-Transistor-Logic) DTL (Diode-Transistor-Logic) ECL (Emitter-Coupled-Logic; szybkie) TTL...

6 Cyfrowe układy scalone bipolarne TTL Bipolarne układy cyfrowe TTL (choć w pierwotnej wersji już wyszły z użycia) wywarły ogromny wpływ na standardy elektroniki cyfrowej. Posiadają wiele wersji: TTL (Transistor-Transistor-Logic; przestarzała) TTL - H (High speed TTL; przestarzała) TTL - L (Low power TTL; przestarzała) TTL - S (Shottky TTL; przestarzała) TTL - LS (Low power Shottky TTL; wychodzi z użycia) TTL - ALS (Advanced Low power Shottky TTL) TTL - AS (Advanced Shottky TTL) TTL - F (Fast TTL)

7 Cyfrowe układy scalone bipolarne TTL Bramka NAND z rodziny TTL

8 Cyfrowe układy scalone bipolarne TTL LS Bramka NAND z rodziny TTL-LS

9 Cyfrowe układy scalone technologie MOS PMOS (pierwsze - najłatwiejsze w produkcji, niewygodne zasilanie) NMOS (lepsze, stosowane do dziś w układach dużej skali integracji) CMOS (z użyciem tranzystorów komplementarnych, podstawa współczesnej techniki cyfrowej) Bi-CMOS (Bi-MOS)

10 Cyfrowe układy scalone CMOS Bramka NAND z rodziny CMOS CD4000

11 Cyfrowe układy scalone Bi CMOS Struktura tranzystorów w technologii Bi-CMOS

12

13

14

15

16 Cyfrowe układy scalone skala integracji

17 Podział układów scalonych ze względu na stopień scalenia małej skali integracji (SSI small scale of integration) średniej skali integracji (MSI medium scale of integration) dużej skali integracji (LSI large scale of integration) wielkiej skali integracji (VLSI very large scale of integration) ultrawielkiej skali integracji (ULSI ultra large scale of integration)

18 Skala integracji SSI bramki, przerzutniki Układy przerzutników typu D wyzwalanych zboczem Podstawowy układ bramki AND serii CMOS 4000

19 Skala integracji MSI liczniki, multipleksery, komparatory, kodery... Licznik binarny o 16 stanach

20 Skala integracji MSI układy programowane Przykład kombinacyjnego układu programowanego PAL 16L8

21 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI mikroprocesory * Jednostka centralna komputera (zwana też procesorem) cyklicznie wykonuje instrukcje zawarte w programie. * Lista instrukcji dla danego procesora jest z góry określona. * Jednostka centralna jest synchronicznym i sekwencyjnym układem cyfrowym. Mikroprocesor to nic innego, jak procesor zbudowany w postaci układu scalonego

22 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI mikroprocesory

23 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI mikrokontrolery Mikrokontroler to cały komputer w kawałku krzemu, zoptymalizowany pod kątem sterowania różnorakimi urządzeniami. Typowy mikrokontroler zawiera praktycznie wszystko, co mu jest potrzebne do pracy - tym różni się od zwykłego mikroprocesora.

24 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI pamięci tylko do odczytu Zawartość pamięci nie zanika wraz z wyłączeniem zasilania Z pamięci można czytać, ale nie można do niej zapisywać danych. Umieszczenie danych wymaga specjalnego procesu programowania. * ROM (Read Only Memory) programowanie następuje w procesie produkcyjnym mikrokontrolera. * EPROM (Erasable Programmable ROM) można kasować dotychczasową zawartość promieniowaniem UV i programować za pomocą specjalnego urządzenia. *...

25 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI pamięci tylko do odczytu Zawartość pamięci nie zanika wraz z wyłączeniem zasilania Z pamięci można czytać, ale nie można do niej zapisywać danych. Umieszczenie danych wymaga specjalnego procesu programowania. *... * OTP (One Time Programmable) można jednorazowo programować za pomocą specjalnego urządzenia. * FLASH (Bulk Erasable Non Volatile Memory) możliwe jest wielokrotne elektryczne wymazanie zawartości i programowanie, często bezpośrednio w systemie (ISP In System Programmable)

26 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI pamięci o dostępie swobodnym (RAM) Zawartość pamięci zanika wraz z wyłączeniem zasilania Z pamięci można zarówno czytać, jak i pisać do niej dane. Niekiedy tworzy się specjalne konstrukcje podtrzymujące jej zawartość przy wyłączeniu zasilania urządzenia. * SRAM (Static Random Access Memory) pamięci RAM statyczne. Krótkie czasy dostępu, proste w obsłudze przez CPU, drogie. * DRAM (Dynamic Random Access Memory) wymagają przeprowadzania w określonych odstępach czasu pewnych operacji na pamięci (odświeżanie), w przeciwnym wypadku dane zanikają. Charakteryzują się dużymi pojemnościami, są tanie.

27 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI układy programowalne (CPLD) CPLD (Complex Programmable Logic Device) zawierają od kilka kilkanaście tysięcy bramek logicznych. Ich programowanie polega na definiowaniu połączeń między nimi.

28 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI układy programowalne (FPGA) FPGA (Field Programmable Gate Array) zawierają od dziesiątek tysięcy do milionów bramek logicznych. Ich programowanie polega na definiowaniu połączeń między nimi. Zdefiniowano do tego celu specjalne języki i narzędzia.