ЭВМ и ПУ. Лекция 03 0

_

Fm-1 = x0 x1 ….. xn-2 xn-1EN Fm = x0 x1 ….. xn-2 xn-1EN

Формируя на выходах все конъюнктивные термы, дешифратор позволяет в сочетании с элементами ИЛИ воспроизводить произвольные логические функции от n аргументов. Для этого надо подать на схемы ИЛИ выходы с конъюн к- циями, входящими в СДНФ реализуемых логических функций.

Мультиплексор (MUX) выполняет функцию коммутации одного из m ин-

формационных входов x0, x1, …, xm-1 на выход F под управлением n адресных (управляющих) входов а0, а1, …, аn-1, число которых определяется соотноше-

нием 2 n = m . Каждой управляющей двои чной комбинации соответствует свой вход, подключаемый к выходу. Функционирование мультиплексора описывает-

ся так называемой мультиплексной формулой				… xm-1 an-1an-2 …a1a0 ,
_ _	_ _	_ _	_
F = x0 an-1an-2 …a1 a0		x1 an-1an-2 …a1a0

для реализации которой требуется n инверторов, m конъюнкторов и один дизъюнктор.

Схемная реализация мультиплексора для случая п = 2 и m = 4 приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Мультиплексор Мультиплексор можно использовать для преобразования поданного на его

информационные входы m-разрядного параллельного кода в последователь-

ный, активизируя последовательно управляющие линии значениями адреса от

0 до 2n-1.

На основе мультиплексоров можно строить универсальные логические модули (УЛМ), настраиваемые на выполнение любой логической функции от n переменных. Существует ряд способов настройки УЛМ на произвольные логические функции. Детально с ними можно ознакомиться, обратившись к источнику [2].

11

Демультиплексор в противоположность мультиплексору коммутирует под управлением n адресных линий единственный входной сигнал с одним из

m = 2n выходов. Данную операцию может выполнить дешифратор (рис.2.8), если на его вход разрешения (EN) подать информационный сигнал, а в качестве входного двоичного кода использовать сигналы управления. Дешифратор, имеющий вход разрешения и выполняющий функцию демультиплексора,

называют дешифратором-демультиплексором.

Рис .2.12. Условное обозначение дешифратора–демультиплексора

Компаратор (СМР) – это устройство, выполняющее функции сравнения двух слов. Для слов а = а пan-1…а0 и b = bпbп-1.…b0 компаратор определяет три типа отношений:

отношение равенства Fa = b, отношение «больше» Fа > b,

отношение «меньше» Fа < b.

Признаком	выполнения равенства по i-му разряду слов является логическая
функция fi	= ¬(ai ¬bi ˅ ¬ai bi),	признаком «больше» – функция fi = ai ¬bi ,
признаком «меньше» – функция		fi = ai bi.

12

Рис .2.13. Компаратор

Схема сдвига сдвигает код на один разряд влево или вправо в зависимости от заданного сигнала управления С = 0 или С = 1, соответственно. Пример реализации схемы для случая четырех входных битов приведен на рис.2.14.

Рис .2.14. Схема сдвига

13

Переключательные элементы как переключатели

Переключательные функции и схемы являются абстрактными формами описания. С их помощью можно представить функциональное поведение механических, электромеханических или электронных, во всяком случае, технических (физических), устройств, которые по их действию можно понимать как реализацию переключательных функций. Для каждой такой реализации необходимы технические представления логических значений 0 и 1, которые даже внутри одной реализации могут быть представлены по-разному. Так в простейшем случае значение 0 или 1 может быть представлено самим состоянием физического элемента – такие простейшие элементы часто называют вентиля-

ми или переключателями.

Простой переключатель имеет ровно два различных состояния: состояние "замкнут” (переключатель включен, вентиль открыт) и состояние "разомкнут” (переключатель выключен, вентиль закрыт).

Итак, можно выбрать примерно следующую интерпретацию: 1 = переключатель включен, 0 = переключатель выключен.

В электротехнической реализации можно, например, булевские значения представлять через приложенное напряжение:

1 = есть напряжение,

0 = нет напряжения.

Тем самым два последовательно соединенных простых переключателя реализуют логическую связку И: лампа светится только тогда, когда включены оба переключателя. Каждый переключатель имеет один выход с положительным напряжением только тогда, когда напряжение на входе положительно и переключатель находится в положении “включен”. При этом входные значения представляются состояниями переключателей и выходных значений напряжения примыкающих переключателей. Аналогичным образом можно реализовать и связку ИЛИ с помощью двух параллельн о соединенных переключателей. Рис. 2.20 показывает реализацию булевских связок И и ИЛИ с помощью переключателей.

Рис. 2.20. Реализация связок И и ИЛИ с помощью переключателей

Реализацию общих переключательных функций мы получим сразу же, если включение и выключение переключателей может быть достигнуто заданием определенных входов. В этом случае мы можем управлять состоянием переключателей путем задания значений на входах. Путем задания определенных булевских значений (соответственно, электротехнически – путем подачи определенного напряжения) мы можем тогда достигнуть того, что определенные переключатели включаются или выключаются. Очевидно, с помощью этого можно реализовать все описанные до сих пор базисные функции и виды связей

14

для переключательных функций и тем самым реализовать любые переключательные функции.

Техническая реализация переключательных схем и переключателей

В вычислительных машинах коды нуля и единицы представляются электрическими сигналами, имеющими два различных состояния. Наиболее распространенными способами физического представления информации являются импульсный и потенциальный:

□импульс или его отсутствие;

□высокий или низкий потенциал;

□импульснопотенциальный.

При импульсном способе отображения код единицы идентифицируется наличием электрического импульса, код нуля — его отсутствием (впрочем, может быть и наоборот). Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины.

При потенциальном способе отображения код единицы — это высокий уровень напряжения, а код нуля — отсутствие сигнала или низкий его уровень. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия потенциала.

Электронные технологии и элементы, на основе которых создавались ЭВМ, многократно изменялись.

Машины первого поколения строились на электронных лампах, второго

— на дискретных полупроводниковых приборах (диодах и триодах — транзисторах), третьего и последующих — на интегральных полупроводниковых схемах.

Изменялись электронные полупроводниковые элементы по виду используемых элементов, типу связей между транзисторами. В частности, использовались следующие системы элементов:

□резисторно-диодные;

□резисторно-транзисторные;

□феррито-транзисторные;

□диодно-транзисторные;

□транзисторно-транзисторные.

Наибольшее распространение в современных интегральных схемах получили транзисторно-транзисторные системы элементов (ТТЛ — транзисторнотранзисторно логика), в которых роль резисторов и диодов выполняют транзисторы с фиксированными напряжениями на своих электродах. В этой системе обеспечивается полная однородность структуры микросхемы — они содержат только транзисторы, что облегчает технологию их изготовления.

Архитектура используемых в ЭВМ транзисторов также изменялась:

□в машинах второго поколения применялись биполярные германиевые

икремниевые pnp– и npn–транзисторы;

□в интегральных схемах применяются униполярные полевые

МОП-транзисторы (МОП – металл-оксид-полупроводник, или MOS – Metal- Oxide-Semiconductor).

15

Полевые транзисторы (рис. 6.3) имеют три электрода:

□затвор (аналог базы биполярных транзисторов);

□исток (аналог эмиттера);

□сток (аналог коллектора).

Затвор электрически изолирован от прочих электродов пленкой оксида кремния1, управляет протеканием тока между истоком и стоком не путем диффузии электронов (как в npn-транзисторах) или дырок (как в pnp-транзисторах), а создаваемым им электростатическим полем. Поэтому МОП-транзисторы и называются полевыми.

Униполярные транзисторы имеют большее быстродействие, нежели биполярные, ибо механизм их работы не связан с медленными диффузионными процессами. Элементы транзистора размещены на плоской кремниевой подложке (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Структура полевого транзистора

Изменялась и архитектура систем логических элементов. Полевые транзисторы имеют несколько разновидностей:

□nМОП;

□pМОП;

□МОП с дополнительной симметрией (КМОП-транзисторы — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, CMOS —

Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Транзисторы nМОП с каналом n-типа работают на основе электронной проводимости.

Транзисторы pМОП с каналом р-типа работают на основе дырочной проводимости.

Быстродействие nМОП транзисторов несколько выше, чем pМОП, поскольку электроны более подвижны, чем дырки. Униполярный транзистор во включенном состоянии может проводить ток в любом направлении.

1 Первоначально полевые транзисторы назывались МДП-транзисторами (металл- диэлектрик-проводник), но, поскольку в качестве диэлектрика стал использоваться оксид кремния, их переименовали в МОП транзисторы. Но, вероятно, в ближайшее время придется вернуться к их первоначальному названию, ибо в качестве изолятора начинает использоваться другой более эффективный диэлектрик, обладающий меньшей, чем оксид, диэлектрической проницаемостью и тем самым создающий меньшие величины паразитных емкостей между электродами.

16

Внастоящее время массовое применение имеют КМОП-транзисторы. Симметрия создается в схемах путем совместного использования nМОП- и pМОП-транзисторов.

ВКМОП-схемах2 транзисторы nМОП и pМОП по отношению к источнику питания обычно оказываются последовательно включенными, а по отноше-

нию к выходному сигналу — параллельно включенными. Поскольку затворы nМОП или pМОП транзисторов включены параллельно, всегда один из этих транзисторов оказывается включенным, а другой — выключенным, и энергопотребление и выходное сопротивление КМОП-схемы будет малым (небольшой ток будет протекать только в переходных режимах транзисторов). Затвор транзистора электрически изолирован от истока и стока, управление осуществляется электростатическим полем, поэтому входное сопротивление у полевых транзисторов очень большое.

Это обстоятельство создает удобство соединений КМОП-схем между собой и обеспечивает устойчивость их работы. КМОП-схемы имеют меньшее энергопотребление, нежели биполярные транзисторы и другие типы полевых транзисторов, могут более плотно упаковываться; созданные на их основе интегральные схемы могут исполняться в более миниатюрном масштабе микротехнологий.

В настоящее время КМОП-транзисторы применяются и в системах оперативной памяти, и в системах флэш-памяти. В модулях оперативной памяти для хранения одного бита информации используется конденсатор — «паразитная» емкость, имеющаяся между электродами транзистора (рис. 6.4). Величина заряда этой емкости определяет хранимый бит: наличие заряда — «0», отсутствие заряда — «1» (иногда наоборот).

Рис. 6.4. Элемент памяти на полевых транзисторах

Управление схемой осуществляется:

□при записи информации — подачей потенциала на адресную шину 1 и записываемого бита по информационной шине 2;

□при считывании информации — подачей потенциала на адресную шину 3 и анализом изменения потенциала на выходной шине 4.

Для сохранения заряда емкости необходима постоянная его регенерация с периодом десятки миллисекунд. Поэтому такая память является энергозависимой и называется динамической.

2 КМОП-схемы называют также КМОП-транзисторами, что, строго говоря, не совсем верно. Но в целях более компактного их названия иногда этот термин будем применять

17

Схемы считывания сигнала (рис. 6.4) с шины 4 схемы регенерации заряда емкости не показаны. Эти схемы могут быть различными, и именно их организация определяет тип оперативной памяти:

□FPM DRAM;

□DRAM EDO;

□SDRAM;

□DR DRAM;

□DDR SDRAM и др.

В КМОП-транзисторах флэш-памяти для обеспечения энергонезависимости под основным затвором помещен еще один, так называемый плавающий затвор (рис. 6.5). Плавающий затвор имеет металлизацию (пленку из арсенида галлия, хрома, никеля, вольфрама и др.) для создания на границе раздела между металлом и полупроводником потенциального барьера Шотки3, позволяющего хранить заряд конденсатора длительное время.

Рис. 6.5. Структура элемента флеш-памяти

В появившихся в 2002 году новых видах памяти FeRAM и MRAM используются сверхтонкие магнитные пленки, наносимые на поверхность кристаллов интегральной схемы. Поверх этой пленки, изготовленной из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), наносятся еще электроды. Эти электроды создают при пропускании, через них электрического тока магнитное поле, намагничивающее цилиндрические магнитные домены (ЦМД) этой пленки в нужном направлении для записи кодов «1» и «0» и для считывания информации (рис. 6.6).

3 Диоды Шотки, использующие этот барьер, проводят ток только в одном направлении, а в другом направлении даже создают запирающий потенциал. Эти диоды известны очень давно и использовались в 40-50-е годы прошлого века в весьма популярных тогда детекторных радиоприемниках, не требующих для своей работы источника электрического питания (необходимое напряжение для прослушивания местных радиостанций через наушники как раз и создает потенциал барьера Шотки).

18

Рис. 6.6. Кривая намагничивания материала с ППГ

Обозначения на рисунке: H — напряженность магнитного поля, В — магнитная индукция материала, Hc — коэрцитивная сила материала, Bm — максимальная магнитная индукция, Br — остаточная магнитная индукция.

При подаче положительного импульса H, превышающего Hc, материал намагничивается до значения Bm, превышающего Br . После снятия внешнего поля H материал возвращается в состояние Br (запись «1»).

При подаче отрицательного импульса H, превышающего –Hc, материал намагничивается до значения – Bm. После снятия отрицательного импульса –H

материал возвращается в состояние –Bm (запись «0»). При считывании подается отрицательный импульс H, и скорость изменения магнитной индукции материала формирует электронный импульс, амплитуда напряжения которого у выхода равно:

При считывании «0» ∆В минимальна, и электрический импульс практически не возникает. При считывании «1» ∆В = Br – (–Br) = 2Br, ∆В большая, формируется импульс, кодирующий 1.

ПРИМЕЧАНИЕ ----------------------------------------------------------------------------------------

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса используются во всех внешних запоминающих устройствах на магнитных и магнито-оптических дисках, магнитных лентах и в ОЗУ на магнитных сердечниках.

--------------------------------------------------------------------------------------------------

Планарные микросхемы

Изготавливаются интегральные схемы с МОП-транзисторами по планарной технологии' на поверхность пластины из полупроводника (кремния) наносится защитный слой диэлектрика (обычно путем окисления поверхности для образования пленки из диоксида кремния), в котором методами фотолитографии вскрывают микроокна. Поверх слоя диэлектрика наносится металлическая пленка, имеющая в окнах контакт с поверхностью полупроводника. Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (n- или р-) поляр-

19

ности проводится диффузия4 материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний — четырехвалентный химический элемент, то для образования p-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания n-областей — пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор);

Весьма перспективна разработанная в университете Буффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ — материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупроводниковых приборов. По данным исследователей, в названных веществах даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жидкости).

Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (масштаба технологии), который непрерывно уменьшается. Еще пару лет назад использовались технологии 0,15-0,11 мкм, сейчас уже 0,09 мкм, а в 2005 году реализована технология 0,065 мкм. В 2003 году концерн IBM предложил комбинированную микросхему, в которой на одну и ту же по д- ложку «кремний на изоляторе» (SOI) помещают одновременно и биполярные, и полевые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комбинированные чипы по технологии 0,065 мкм выпускаются с 2005 года.

Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшает паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторов (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки, что, в свою очередь, повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы. Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт.

Уменьшение токов утечки достигается следующими способами:

□использованием медных проводников (вместо имеющих большее удельное электрическое сопротивление алюминиевых);

□применением технологии напряженного (растянутого) кремния — strained Si (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки

уменьшает удельное электрическое сопротивление).

ПРИМЕЧАНИЕ -----------------------------------------------------------------------------

В современных микросхемах толщина изолирующего слоя из диоксида кремния (SiCb) составляет всего 1,2 нм, то есть имеет толщину примерно пяти атомов, то ток утечки сравнительно велик и тепловыделение значительное (по оценкам экспертов почти 40 % тепловыделения обусловлено утечками). Для улучшения электрических характеристик фирма Intel намерена заменить оксид кремния оксинитридом кремния (SiON) с другой диэлектрической проницаемостью. Новая технология (под кодовым номером 1266) с масштабом 0.45 мкм на

4В последние годы вместо диффузии используется метод, ионной имплантации или ионного легирования. В этом процессе пары легирующего вещества ионизируются и разгоняются в сильном электрическом поле для проникновения через микродырки в полупроводник.

20