16

1. Основні характеристики цифрових мікросхем

1.1. Поняття елементів, вузлів і пристроїв комп'ютерної схемотехніки

Засоби комп'ютерної техніки та її складові, в залежності від функцій, які вони виконують, поділяються на елементи, функціональні вузли та пристрої, мікропроцесори та комп'ютери (рис. 1). Дані пристрої призначені для обробки диск­ретної інформації.

Е лементи – найменші неподільні мікроелектронні схеми (вироби), приз­начені для виконання логічних операцій або зберігання біта інформації. До еле­ментів умовно відносяться і допоміжні схеми – підсилювачі, повторювачі, фор­мувачі та інше. Елементи в більшості випадків будуються на основі двопозицій­них ключів, що технічно реалізуються найпростіше. Елементи з двома станами називаються двійковими.

На входах і виходах двійкового елемента діють напруги, які набувають в усталеному режимі двох значень – високого U_в та низького U_н рівнів. Ці напру­ги відображають електричні сигнали. Сигнали з двома усталеними станами на­зиваються двійковими. Перехід елемента з одного стану в інший називається йо­го перемиканням. На основі елементів будують типові функціональні вузли.

Елементарні дії, які виконуються в комп'ютерах за один машинний такт, називаються мікроопераціями. Наприклад інкремент або декремент слова, зсув, інверсія, додавання та інше. У комп'ютерах команди виконуються послі­довністю мікрооперацій над двійковими словами (числами). Типовими функці­ональними вузлами комп'ютерів називаються мікроелектронні схеми, призна­чені для виконання однієї або декількох мікрооперацій. За логікою робо­ти фун­кціональні вузли розподіляються на комбінаційні та послідовнісні схеми.

У комбінаційних схемах логічний стан виходів елементів залежить тільки від вхідних сигналів у даний момент часу. До функціональних вузлів комбінаційного типу відносяться суматори, дешифратори, шифратори, мульті­плексори і демультіплексори, схеми порівняння (компаратори) і контролю за парністю, кодоперетворювачі.

У послідовнісних схемах логічне значення виходів визначають як ком­бінацією вхідних сигналів, так і станом пам'яті схеми в даний момент часу. До функціональних вузлів послідовнісного типу відносяться регістри, лічильники, генератори чисел та керуючі автомати. На основі типових функціональних вузлів створюють різноманітні пристрої комп'ютерів.

В усіх комп'ютерах використовуються генератори тактових імпульсів (ГТІ), що виробляє періодичну послідовність прямокутних імпульсів, які нази­ва­ють тактовими (С). Початок кожного імпульсу С називається тактовим мо­ментом. Часовий інтервал між двома сусідніми імпульсами С називається ма­шинним тактом Т_с. На початку кожного імпульсу С відбувається зміна інфор­мації на входах елементів і вузлів комп'ютера.

Частота ГТІ вимірюється десятками та сотнями мегагерц. Такі генерато­ри в літературі часто називають генераторами синхронізуючих імпульсів, а самі імпульси – синхронізуючими або синхроімпульсами. Амплітуда і полярність імпульсу С залежить від фізичних принципів побудови машини. Принцип подачі інформації на входи елементів і вузлів у тактові моменти часу будемо називати дискретизацією сигналів у часі.

У комп'ютерній схемотехніці використовують два основних види двій­кового сигналу: потенціальний та імпульсний (рис.3).

Сигнал, який змінюється тільки в тактові моменти часу, називається потенціальним. Сигнал, що наростає в тактовий момент часу, а спадає в грани­цях даного такту, називається імпульсним. Тривалість потенціального сигналу дорівнює або кратна тривалості машинного такту.

У відповідності до значень двійкового сигналу та відповідної змінної Х кодуються символами 0 (логічний 0) і 1 (логічна 1). Напруга, що відображає 1 позначається U¹, а напруга, що відображає 0 – U⁰.

В комп'ютерній схемотехніці використовують два способи кодування логічних сигналів Х_і потенціальними сигналами (напругою) – позитивний та не­гативний. При позитивному кодуванні (позитивна логіка) більший рівень на­п­руги U_в з урахуванням знаку відображає логічну 1, а менший U_н – логічний 0, тобто Х=1 коли U¹= U_в та Х=0 при U⁰= U_н (рис.1, а). При негативному кодуван­ні (негативна логіка) більший рівень напруги U_в з урахуванням знаку відобра­жає логічний 0, а менший U_н – логічну 1, тобто Х=1, якщо U¹= U_н та Х=0 коли U⁰= U_в (рис.3, б).

Д ля імпульсних сигналів розрізняють два види кодування (рис.4): пер­ший – наявність імпульсу відображає логічну 1, відсутність – логічний 0; дру­гий – наявність імпульсу однієї полярності відображає логічну 1, а іншої поляр­ності – 0.

Е лементи комп'ютерів класифікують за такими ознаками:

• фізичні прилади, що використовуються;

• вид інформаційних сигналів;

• функціональне призначення;

• конструкторсько-технологічним виготовленням;

• рівнем та ступенем складності.

За типом фізичних приладів розрізняють такі елементи: побудовані па електронних лампах – перше покоління; на транзисторах – друге покоління; на ІМС малого і середнього ступеня інтеграції – третє покоління; на великих і надвеликих ІМС – четверте покоління.

За видом інформаційних сигналів виділяють наступні групи:

• потенціальні елементи – використовують тільки потенціальні сигнали;

• імпульсні елементи – використовують тільки імпульсні сигнали;

• потенціально-імпульсні елементи – використовують потенціальні та імпульсні сигнали.

За функціональним призначенням елементи комп'ютерної схемотехніки поділяються на такі класи:

• логічні елементи призначені для виконання логічних операцій – НЕ, І, ЧИ, НЕ І, НЕ ЧИ, НЕ І ЧИ та інше.

• елементи пам’яті – тригери, призначені для зберігання значення однієї двійкової змінної – нуля чи одиниці, тобто одного біта інформації;

• допоміжні елементи (підсилювачі, формувачі, перетворювачі сигна­лів, схеми часового узгодження, генератори імпульсів та ін.), призначені для забезпечення роботи елементів перших двох класів.

Елементна база сучасної комп'ютерної схемотехніки складається з інтегральних мікросхем. Це мікроелектронні вироби з високою щільністю розміщення електрорадіоелементів (резистори, діоди, транзистори) та з'єднань між ними. З погляду специфікації, випробування, постачання та експлуатації ІМС розглядаються як єдине ціле.

В ІМС електрорадіоелементи називають елементами, якщо вони невід­дільні від схеми, і компонентами, якщо їх можливо використовувати самостій­но. В подальшому, щоб уникнути невизначеність з елементами комп'ютерів, електрорадіоелементи називатимемо просто компонентами.

Класифікація мікросхем проводиться за такими ознаками:

• технологія виготовлення – напівпровідникові, гібридні, плівкові;

• конструкційним оформленням – корпусні та без корпусні;

• формою обробки інформації – аналогові, цифрові та аналогово-цифрові;

• ступенем інтеграції – малі, середні, великі, надвеликі і ультравеликі;

• типом активних елементів – виготовлених на біполярних і МОП-тран­зисторах;

• областю застосування – широкого застосування, спеціалізовані, у тому числі замовні та напівзамовні;

• використаними матеріалами – кремнієві, арсенід-галієві;

• новими фізичними принципами побудови – кріомікроелектронні, акустоелектронні, оптоелектронні, молекулярної електроніки та інше.

Набір цифрових мікросхем із спільними конструкційно-технологічними і схемотехнічними ознаками утворює серію ІМС. У комп'ютерній схемотехніці широко використовуються цифрові напівпровідникові корпусні ІМС на основі кремнію арсеніду галію. У напівпровідникових ІМС усі компоненти і з'єднання між ними виконані в об’ємі і на поверхні кристалу площею 4-100 мм². У гібрид­них мікросхемах навісні компоненти (діоди, транзистори, великі конденсатори, індуктивності, безкорпусні ІМС) кріпляться на поверхні діелектричної підклад­ки, а провідні з’єднання, резистори невеликі конденсатори та індуктивності виконуються у вигляді плівок на діелектричній підкладці.

Складність мікросхеми характеризується рівнем інтеграції К=lgN та сту­пенем функціональної складності F= lgL, де N – число компонентів; L – чис­ло двовходових логічних елементів (вентилів); значення десяткового логарифму округлюється до більшого цілого числа. Промисловість виготовляє ІМС від першого(< 10 компонент) до шостого (< 1 млн. компонент) та вищого ступеня інтеграції.

Можливості інтегральної технології визначають щільність упакування: відношення числа компонентів до об’єму (іноді до площі) кристалу. Щільність упакування в напівпровідникових ІМС складає 10⁷ комп./см³, а для гібридних – 100-200 комп./см³.

Мала інтегральна схема (МІС) вміщує до 100 компонент включно, сере­дня мікросхема – 100-1000 компонент, великі інтегральні мікросхеми (ВІС) – до 10⁵ компонент, надвеликі інтегральні мікросхеми (НВІС) – до 1 млн. компо­нент, а ультравеликі (ультра-ВІС) – до 10 млн. компонент та більше. На МІС створюють елементи, на СІС реалізують типові вузли, на ВІС, НВІС та ультра-ВІС розробляють структуру мікропроцесорів та мікрокомп’ютерів.

Кожна елементарна логічна функція реалізується відповідно логічними елементами: ЧИ (диз'юнктор), І (кон'юнктор), НЕ (інвертор). Для реалізації скла­дних функцій логічні елементи об’єднують у логічну схему. Функціона­льно повна система логічних елементів дозволяє побудувати будь-яку складну логічну схему. Такі системи утворюються такими наборами логічних елементів: 1) ЧИ, НЕ; 2) І, НЕ; 3) НЕ ЧИ; 4) НЕ І та інше. У технічно повній системі еле­ментів забезпечується значення електричних параметрів двійкових сигналів, для цього використовуються допоміжні елементи – підсилювачі, повторювачі, формувачі та інше.

З врахуванням викладеного вище можливо сказати, що система елемен­тів являє собою функціонально і технічно повний набір елементів, який викори­стовує однакові способи представлення інформації, а також спільні конструкт­тивно-технологічні характеристики.