Cyfrowe układy scalone

Transkrypt

1 Ryszard J. Barczyński, 2 25 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Układy cyfrowe stosowane są do przetwarzania informacji zakodowanej w postaci dwóch przedziałów wartości napięć (lub natężeń prądów): wysokiego H (High) i niskiego L (Low). Taki dwuwartościowy sygnał nazywany jest binarnym (dwójkowym). Sygnał dwójkowy w określonej chwili może przyjmować jedną z dwóch wartości napięcia oznaczonych umownie symbolami (zera) i (jedynki) logicznej.

3 Sygnały cyfrowe charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia i zniekształcenia. Przy sygnałach napięciowych, w których wyższemu poziomowi napięcia H (bardziej dodatni) przyporządkowuje się jedynkę logiczną, a niższemu L (mniej dodatni) zero logiczne, mówi się o logice dodatniej. Konwencja przeciwna nazywana jest logiką ujemną. Poziomy napięć odpowiadające stanom zera i jedynki są związane z technologią realizacji układów logicznych. Sygnał cyfrowy np. dwójkowy, służy do przedstawienia wartości wielkości nieciągłych (ziarnistych). Wartości wielkości ziarnistej można zapisać za pomocą kombinacji cyfr i, czyli w postaci kodu.

4 Najmniejszą jednostką informacji sygnału cyfrowego jest bit, który oznacza jeden z dwóch możliwych stanów: lub prawda lub fałsz. Grupa bitów o określonej długości tworzy słowo, a liczba bitów słowa określa jego długość. Słowo złożone z 8 bitów nazywa się bajtem można w nim zapisać z 256 różnych stanów. Słowo złożone z 4 bitów to nibble (6 stanów). Liczby zapisuje się w postaci kodów. Najczęściej stosowane kody to: naturalny kod dwójkowy, kod Graya, kod dwójkowo dziesiętny BCD (Binary Coded Decimal).

5 Kod dwójkowy Liczba dziesiętna Kod BCD Kod Graya Dla 6 znaków Kod Graya +3 dla znaków

6 Układy cyfrowe kombinacyjne realizują określoną funkcje logiczne - od najprostszych (bramki), do nieraz bardzo złożonych.

7 Układy cyfrowe sekwencyjne charakteryzują się tym, że zmieniają swój stan (kombinację sygnałów wyjściowych) w zależności od sygnałów wejściowych i poprzedniego stanu. Zwykle są sterowane sygnałem zegarowym. Elementarne układy sekwencyjne (przerzutniki) są konstruowane z bramek logicznych. Również mikroprocesory i pamięci są układami sekwencyjnymi.

8 technologie i rodziny

9 podstawowe parametry Przy projektowaniu urządzeń z cyfrowymi układami scalonymi istotne są następujące parametry: szybkość działania, moc strat, parametry zasilania, odporność na zakłócenia, zgodność łączeniowa i obciążalność.

10 podstawowe parametry UCC (VCC) napięcie zasilania, ICC prąd zasilania, UI (UO) napięcie wejściowe (wyjściowe)

11 podstawowe parametry Zmiany prądu zasilania typowej bramki TTL przy przełączaniu.

12 podstawowe parametry czas propoagacji t phl t plh tp 2

13

14 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...

15 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)

16 bipolarne TTL Bramka NAND z rodziny TTL

17 bipolarne TTL LS Bramka NAND z rodziny TTL-LS

18 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)

19 CMOS Bramka NAND z rodziny CMOS CD4

20 Bi CMOS Struktura tranzystorów w technologii Bi-CMOS

21

22 producenci

23

24

25

26 skala integracji

27 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)

28 Skala integracji SSI bramki, przerzutniki Układy przerzutników typu D wyzwalanych zboczem Podstawowy układ bramki AND serii CMOS 4

29 Skala integracji MSI liczniki, multipleksery, komparatory, kodery... Licznik binarny o 6 stanach

30 Skala integracji MSI układy programowane Przykład kombinacyjnego układu programowanego PAL 6L8

31 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

32 Skala integracji LSI, VLSI, ULSI mikroprocesory

33 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.

34 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 (programatora). Wyszła z użycia. *...

35 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 (programatora). * FLASH (Bulk Erasable Non Volatile Memory) możliwe jest wielokrotne elektryczne wymazanie zawartości i programowanie, często bezpośrednio w systemie (ISP In System Programmable)

36 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.

37 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.

38 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.