Отметим, что в литературе нет единого толкования введенных терминов, хотя они и являются рекомендованными

I. Элементно-технологическая база ЭВМ.

 

1.1 Параметры цифровых микросхем и способы их описания.

Свойства цифровых элементов определяет ряд параметров (характеристик), знание которых необходимо для правильного проектирования и эксплуатации цифровых устройств.

Цифровые элементы можно разделить на логические и запоминающие, в системах их параметров имеются некоторые особенности. Здесь рассмотрим наиболее общие и важные характеристики цифровых элементов, дополнительные сведения о запоминающих элементах рассмотрим позже.

К важнейшим характеристикам цифровых ИМС относятся: функциональная сложность (уровень интеграции), быстродействие, потребляемая мощность, энергия или работа переключения, помехоустойчивость, нагрузочная способность.

Для цифровых элементов, как и для других, важны также надежность, стоимость допустимые условия эксплуатации и другие.

 

1.1.1 Уровень интеграции и функциональная сложность ИМС.

Сложность ИМС оценивается с помощью понятий “уровень интеграции” или “функциональная сложность”. Под уровнем интеграции будем понимать число схемных элементов, расположенных на одном кристалле, а под функциональной сложностью – число размещенных на одном кристалле базовых логических или запоминающих элементов.

Термины «степень интеграции» и «функциональная сложность» относятся к показателю, определённому по формуле ]lgN[, где N – число схемных (либо базовых логических) элементов, ][ - означает округление до ближайшего справа числа.

Отметим, что в литературе нет единого толкования введенных терминов, хотя они и являются рекомендованными.

Понятия уровень интеграции и функциональная сложность оценивают по сути одно и то же свойство ИМС, но в разных единицах. Для функциональной сложности это базовые элементы (конъюнкторы, элементы И-НЕ и т.д.), а для уровня интеграции – схемные элементы (транзисторы, резисторы и т.д.)

ИМС делят на малые, средние, большие и сверхбольшие.

К малым (МИС) обычно относят ИМС 1 ^ой – 2 ^ой степени интеграции;

к средним (СИС) -2 ^ой – 3 ^ей; к большим –3 ^ей – 4 ^ой.

Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) могут иметь степень интеграции 5 и более и, как правило, содержат устройства, выполняющие законченный процесс обработки информации.

 

1.1.2 Быстродействие логических элементов. Временные диаграммы

Быстродействие логических элементов определяется скоростями перехода их из состояния «0» в состояние «1» и обратно. Быстродействие цифрового устройства ограничивается не только задержками сигналов в логических элементах, но и задержками в цепях связи; полная задержка на участке тракта передачи сигнала должна вычисляется с учётом обеих задержек:

t_з = t_з.лэ + t_з.св

 

Характеристики быстродействия ЛЭ можно получить, расмотрев временные диаграммы процесса переключения.

Временной диаграммой называется представление сигнала в виде эпюр напряжения (тока) в конкретной точке схемы “привязанной” к определённым моментам времени. Таким образом, ВД изображают динамику поведения цифровой схемы в отличие от таблиц истинности, которые отражают статику схемы. В цифровой технике различают ВД одноразрядного и многоразрядного (например, выход регистра) сигналов. ВД могут различаться по степени подробности изображения сигналов: с указанием масштаба по всем осям, только по осям времени, без указания масштаба, без осей, с указанием фронтов, либо без фронтов (идеальное переключение).

Форма переходных процессов в цифровых схемах близка к трапецеидальной. Переходные процессы имеют этапы задержки, где выходная величина практически не начала изменяться и этапы нарастания (спада) – фронт (срез).

Длительности этих этапов обычно отсчитывают по моментам времени, в которые сигналы достигают уровней 0,1 и 0,9 от полного перепада.

Для более ясного понимания рассмотрим работу логического инвертора. Сигналы на входе и выходе переключающегося инвертора показаны на рисунке.

 

 

Uвх

 

U¹

U_п= U=U¹-U⁰

U⁰

t

t ₃¹⁰ t _ф¹⁰ t ₃⁰¹ t _ф⁰¹

0,1U

U_п= 0,1U

t

t¹⁰ t⁰¹

Рис.1

Сумма времени задержки и фронта составляет время переключения ЛЭ (в зависимости от направления переключения – время включения или выключения ЛЭ).

Наиболее часто переходный процесс характеризуют всего одним числом – временем задержки распространения сигнала.

При этом моментом поступления сигнала на вход ЛЭ считают момент достижения им некоторого порогового уровня – в частности середины полного перепада. При этом полагают, что при достижении плавно изменяющимся сигналом уровня 0,5 от полного перепада на входе ЛЭ изменяется логическое значение сигнала. Моментом появления нового логического значения выходного сигнала также считают достижение им уровня 0,5 от полного перепада (принятые допущения не всегда отражают реальные значения порогового уровня ЛЭ).

В нашем случае: пороговый уровень:

При переключении элемента из единичного состояния в нулевое задержка распространения сигнала:

При переключении в обратном направлении:

Часто пользуются усредненным значением задержки распространения:

Длительность переходных процессов современных ЛЭ составляет наносекунды (нс).

Рассмотрим типичные ВД. Для одноразрядного сигнала может иметь вид (рис.2).

U¹ T

“1”

 

“0”

t₁ t₂ t₃ t₄

Рис.2

t1, t2, t3, t4 – моменты изменения состояния схемы

t1-t2 – нарастание сигнала (фронт)

t3-t4 - спад сигнала (срез)

ВД для n-разрядного сигнала (выходы Q1-QN регистра) представлена на рис.3

 

Q

T

“1”

 

“0” t

Рис.3

Двумя параллельными линиями, соответствующим уровням напряжения “ 0 “ и “ 1 “ отличается некоторое состояние регистра (код на его выходах), крест-изменение состояния, линия между уровнями 0 и 1 – третье состояние по всем разрядам регистра.

В частных случаях, когда значение на всех выходах регистра одинаково, они отличаются на ВД как для случая одноразрядного сигнала (на ВД 0 – t1, Q=0 отмечено сплошной линией, а Q=1- пунктирной).

Длительность сигнала, т.е. время в течение которого значения на всех выходах регистра не изменяются определяется по средним точкам переходов из одного состояния в другое.

Для более ясных представлений о последовательности переключения сигналов в сложных ВД фронты этих сигналов связывают стрелами.

На рисунке показан процесс записи в регистр данных D, сопровождаемый стробирующим сигналом С.

t₃

Рис.4

 

Здесь отмечено запаздывание tз реакции Q регистра на изменение данных D относительно переднего фронта строба С.

При использовании усредненных задержек распространения сигналов ЛЭ можно представить в виде (рис.5), где последовательно с безинерционным элементом, выполняющим некоторую операцию F (булева модель ЛЭ), включен элемент задержки на время tз:

 

F

X₁

y

X_n t₃

Рис.5.

Потребляемая мощность.

Потребляемая ЛЭ мощность может быть статической или полной. Статическая мощность потребляется ЛЭ, который не переключается. Такой элемент может находится в нулевом или единичном состоянии, поэтому существуют два значения статической мощности Р0 и Р1. для схемы из многих ЛЭ обычно принимают нулевые состояния равновероятными и пользуются средним значением статической мощности:

Потребление статической мощности не является принципиально необходимым, поскольку не переключающийся элемент не совершает полезной работы.

Полная мощность, потребляемая переключающимся ЛЭ, зависит от частоты переключений. Она превышает статическую мощность, к которой добавляется динамическая составляющая вследствие возникновения токов в емкостных цепях. Потребление динамической мощности неизбежно, т.к. при переключениях ЛЭ необходимо перезаряжать емкость схемы, затрагивая при этом определенную энергию.

По характеру зависимости полной мощности Р от частоты переключений ЛЭ все элементы можно разделить на 2 условные группы. К первой относятся элементы в которых, в некоторых пределах частот переключения, мощность мало зависит от частоты. Статическая мощность довольно велика и дополнительные затраты мощности при переключении в данном частотном диапазоне малы по сравнению со статической мощностью; ко второй – элементы со сравнительно малой статической мощностью, у которых зависимость мощности от частоты близка к линейной:

 

P

P_ст1

 

Р_ст2 f

Характеристика типа 2 более совершенна т.к. свидетельствует о минимальности затрат мощности, не являющихся необходимыми.