Cyfrowe układy scalone

Ryszard J. Barczyński, 2016Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała StałegoMateriały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Cyfrowe układy scalone

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

Cyfrowe układy scalonetechnologie i rodziny

Cyfrowe układy scalonebipolarne

Pierwsze rodziny scalonych układów cyfrowych należały do grupybipolarnych. Większość z nich wyszła już z użycia:● RTL (Resistor-Transistor-Logic)● DTL (Diode-Transistor-Logic)● ECL (Emitter-Coupled-Logic; szybkie)● TTL...

Cyfrowe układy scalonebipolarne 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)

Cyfrowe układy scalonebipolarne TTL

Bramka NAND z rodziny TTL

Cyfrowe układy scalonebipolarne TTL­LS

Bramka NAND z rodziny TTL-LS

Cyfrowe układy scalonetechnologie 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)

Cyfrowe układy scaloneCMOS

Bramka NAND z rodziny CMOS CD4000

Cyfrowe układy scaloneBi­CMOS

Struktura tranzystorów w technologii Bi-CMOS

Cyfrowe układy scaloneskala integracji

Podział układów scalonychze 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)

Podstawowy układ bramki ANDserii CMOS 4000

Skala integracjiSSI ­ bramki, przerzutniki

Układy przerzutników typu Dwyzwalanych zboczem

Licznik binarnyo 16 stanach

Skala integracjiMSI ­ liczniki, multipleksery, komparatory, kodery...

Przykład kombinacyjnegoukładu programowanego

PAL 16L8

Skala integracjiMSIukłady programowane

* 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 postaciukładu scalonego

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSImikroprocesory

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSImikroprocesory

Mikrokontroler to “cały komputer w kawałku krzemu”, zoptymalizowanypod kątem sterowania różnorakimi urządzeniami. Typowy mikrokontroler

zawiera praktycznie wszystko, co mu jest potrzebne do pracy- tym różni się od zwykłego mikroprocesora.

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSImikrokontrolery

Zawartość pamięci nie zanika wraz z wyłączeniem zasilaniaZ 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.*...

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSIpamięci tylko do odczytu

Zawartość pamięci nie zanika wraz z wyłączeniem zasilaniaZ 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 Non­Volatile Memory) – możliwe jest wielokrotne   elektryczne wymazanie zawartości i programowanie, często bezpośrednio w   systemie (ISP – In System Programmable)

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSIpamięci tylko do odczytu

Zawartość pamięci zanika wraz z wyłączeniem zasilaniaZ 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.

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSIpamięci o dostępie swobodnym (RAM)

CPLD (Complex Programmable Logic Device) – zawierają od kilka ­ kilkanaścietysięcy bramek logicznych. Ich programowanie polega na definiowaniu

połączeń między nimi.

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSIukłady programowalne(CPLD)

FPGA (Field Programmable Gate Array) – zawierają od dziesiątek tysięcy domilionów bramek logicznych. Ich programowanie polega na definiowaniu

połączeń między nimi. Zdefiniowano do tego celu specjalne języki i narzędzia.

Skala integracjiLSI, VLSI, ULSIukłady programowalne(FPGA)