Integrovan é obvody

Obvody malé, střední a velkéintegrace

Programovatelné obvody

Integrovaný obvod• zkratka: IO• anglický termín: integrated circuit = IC

Co to je?• elekrotechnická součástka

– na malé ploše čipu (křemíkového plátku) velikosti řádově několik cm2 je integrováno (soustředěno) velké množství aktivních i pasivních součástek; spolu tvoří elektrický obvod (vykonávají společnou funkci)

• zejména tranzistorů, diod, rezistorů• kondenzátory a indukčnosti se realizují obtížně

– počet součástek může být v řádu od desítek ažpo několik miliónů

– čip je zapouzdřen v plastovém nebo keramickém pouzdru, na okrajích pouzdra jsou vyvedeny „nožičky“ (piny)

• cíl návrhářů:– zvyšovat počet součástek na jednotkovou

plochu čipu (zvyšovat stupeň integrace)

• stupeň integrace se udává:– počtem tranzistorů– počtem tzv. ekvivalentních hradel

• kolik běžných diskrétních hradel bychom potřebovali k realizaci daného obvodu

• stupeň integrace závisí na zvládnutétechnologii– při návrhu IO návrháři umísťují součástky a

vodivé cesty do rastru• dnes typicky 45 nm

– součástky a cesty jsou na čipu ve více vrstvách

• více úrovní metalizace

Ukázka integrovaného obvodu

Dělení integrovaných obvodů

dělení z hlediska technologie výroby• hybridní integrované obvody

– historické, dnes se již nepoužívají

– miniaturní plošný spoj je osazen miniaturními diskrétními součástkami

• monolitické integrované obvody– obvod je vytvořen z monolitického bloku

krystalu křemíku

Pouzdra integrovaných obvodů

• na použitém pouzdru závisejí tepelné (a tím i výkonové) vlastnosti integrovaného obvodu a cena– plastové pouzdro je výrobně levnější, ale

hůře odvádí teplo– keramické pouzdro je dražší, ale lépe odvádí

teplo

• příkon obvodů technologie CMOS závisíkvadraticky na frekvenci hodinového signálu

Používaná pouzdra

„Klasická“• pouzdra se umísťují do patic nebo se

pájejí do plošek s otvorem

– DIP (DIL) - Dual in Line Package• vývody po obou stranách pouzdra

Pouzdro DIP

Povrchová montáž• SMT – Surface Montage Technology

– technologie povrchové montáže– princip: součástky SMD (Surface Monage

Device) jsou připájeny (nebo přilepeny vodivým lepidlem) na plo šky bez otvor ů

Pouzdro SOP

Dělení obvodů podle stupně integrace

• obvody malé integrace– small scale integration - SSI

• obvody st řední integrace – middle scale integration - MSI

• obvody velk é integrace – large scale integration - LSI

• obvody velmi velk é integrace – very large scale integration - VLSI

Poznámky:• dnes se začíná hovořit o obvodech ULSI

– Ultra Large Scale Integration

• hranice mezi kategoriemi a názvy kategoriíse mohou lišit v různé literatuře

Obvody malé integrace SSI

• na ploše čipu jednotky, max. desítky hradel• hlavní období nasazení: konec 60. let, 70. léta

• stále se vyrábějí (cena za obvod do 20 Kč)• dnešní oblast použití

– pomocné obvody k obvodům vyšší integrace (zejména k jednočipovým mikropočítačům) v tzv. embeded aplikacích (dálkové ovladače, ovládacípanely spotřební elektroniky

• do této kategorie patří nejstarší obvody z řady 74xx a CMOS 4000, jako 7400, 7402, 7420, 7474, 74125

Některé obvody SSI

Příklady aplikace obvodu SSI:• rozsvěcování výkonové LED

– pin procesoru není schopen dodat dostatečný proud

– použijeme pro napájení LED obvod 74125, což je výkonový třístavový budič, a zapojíme jej mezi pin procesoru (obvod VLSI) a diodu.

• dlouhé vodiče sběrnice na desce plošných spojů– použijeme k vybuzení obvodu 74245 (8x

třístavový výkonový obousměrný budičsběrnice)

Obvody st řední integrace MSI

• na plo še čipu desítky až stovky hradel• multiplexory, demultiplexory, komparátory,

vícebitové klopné obvody (registry), posuvnéregistry, čítače, dekodéry a jednoduchéaritmetické obvody (např. čtyřbitová sčítačka) aj.– na zásuvné kartě ISA do počítače PC z počátku 90.

let nalezneme ještě asi polovinu obvodů MSI

• dnešní uplatnění: stejné jako u obvodů maléintegrace– doplňkové obvody

Některé obvody MSI

Dekodér pro 7-segmentovou jednotku(7449)

Dekodér

b0

b1

b2

b3

ABCDEFG

Pravdivostní tabulka dekodéru– segment svítí, je-li na jeho vstupu log. 0

(jednotka konstruována se společnou anodou)

b 3 b 2 b 1 b 0 A B C D E F G

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 1 1 0 0 1 1 1 10 0 1 0 0 0 1 0 0 1 00 0 1 1 0 0 0 0 1 1 00 1 0 0 1 0 0 1 1 0 00 1 0 1 0 1 0 0 1 0 00 1 1 0 0 1 0 0 0 0 00 1 1 1 0 0 0 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0

Příklad aplikace obvodu MSI:• zobrazení cifer na dvou sedmisegment.

jednotkách– použijeme posuvné registry

Multiplexor• významný kombinační obvod z kategorie

MSI• používá se jako stavební blok při návrhu

obvodů VLSI (procesorů)• zkratka: MPX, MUX• česky: selektor dat• funkce:

– vybírá na výstup o jeden z n datových vstupůi0 až in-1

– počet vstupů je roven mocnině dvou– výběr se určuje řídicími signály s

Příklad:• schématická značka 4-vstupového MPX

• pravdivostní tabulka

• rovnice a vnitřní schéma

Příklad:• obvod 74151 – osmivstupový

multiplexor

Použití• výběr zdroje dat pro aritmetickou

jednotku počítače

Demultiplexor/dekodér

• obvod s opačnou funkcí než multiplexor• funkce:

– vstup i je kopírován na jeden z n výstupů o0až on-1

– počet výstupů je roven určité mocnině dvou, výběr výstupu se určuje řídicími signály

– ostatní nevybrané výstupy mají zpravidla hodnotu log. 0

Použití:• dekodér adresy

Příklad:• obvod 74138 – dekodér s osmi výstupy

Pravdivostní tabulka demultiplexoru:

Využití demultiplexoru jako dekodéru adresy

R0

R1

R2

R3

8vstupní data

S0S1

A0A1

E0E1E2E3

povolení zápisu

demultiplexor/dekodér

D0-D7

Obvody velk é integrace a velmi velk é integrace

• LSI - tisíce až statisíce hradel

• VLSI – až milióny hradel (tranzistorů)– první procesor Pentium měl asi 5 mil. tranzistorů na čipu

– obvod Virtex 7 od firmy XILINX má 6,8 miliard tranzistorů na čipu

• obvody VLSI mohou být– univerzální – procesory– speciální – řadiče graf. karet, řídicí obvody do letadel

vyrobené na přání zákazníka

Dělení obvodů VLSI

• plně zákaznické– zákazník si navrhne obvod zcela sám,

výrobce jej vyrobí (velmi drahé)

• polozákaznické– zákazník používá při návrhu obvodu

prefabrikované bloky– ASIC – aplikačně specifické integrované

obvody

• speciální: programovatelné obvody zákazníkem

Programovatelné obvody

• univerzální číslicové obvody, funkci určuje zákazník

• obecné označení – PLD– Programmable Logic Devices

• obsahují základní logické členy, vodiče a mezi nimi programovatelné propojovacíprvky (spínací tranzistory)

• princip: zákazník ve speciálním software nakreslí schéma, sw jej zpracuje (syntéza), výsledkem jsou konfiguračnídata pro obvod

Jazyky pro popis digit. obvod ů

• dnes už návrháři schéma obvodů nekreslí– zdlouhavé, pomalé

• popisují zapojení a chování číslicových obvodůve speciálních jazycích pro popis hardware– software (syntezátor) provede minimalizaci funkcí,

optimalizaci– výstupem jsou konfigurační data pro programovatelný

obvod nebo data pro výrobu čipu (obrázek spoje čipu)

• návrhář digitálních obvodů je spíš dnes programátorem

Jazyky pro popis digit. obvod ů

Dva nejpoužívanější jazyky:• VHDL

– VHSIC Hardware Description Language– odvozen od jazyka ADA a Pascal– rozšířen zejména v Evropě

• Verilog– odvozen od jazyka C

– rozšířen v USA

Popis dekodéru ve VHDL• nejprve popíšeme obvod jako „krabičku“ se vstupy a výstupy

entity dekoder isPort ( b0 : in std_logic;

b1 : in std_logic;b2 : in std_logic;b3 : in std_logic;A : out std_logic;B : out std_logic;C : out std_logic;D : out std_logic;E : out std_logic;F : out std_logic;G : out std_logic

);end dekoder;

Popis dekodéru ve VHDL• pak popíšeme chování rovnicemi

architecture Behavioral of dekoder is

begin

...

C <= (not b0 and b1 and not b2);

E <= b0 or (not b1 and b2);

...

end Behavioral;

Popis dekodéru ve VHDL• nemusíme rovnice vytvářet, stačí přepsat

tabulku, rovnice vytvoří software sám

Popis dekodéru ve VHDLarchitecture Behavioral of segmentovka issignal vstup: std_logic_vector(3 downto 0);signal vystup: std_logic_vector(6 downto 0);

beginvstup <= (b3,b2,b1,b0);with vstup selectvystup <= "0000001" when "0000",

"1001111" when "0001","0010010" when "0010","0000110" when "0011","1001100" when "0100","0100100" when "0101","0100000" when "0110","0001111" when "0111","0000000" when "1000","0000100" when "1001","XXXXXXX" when others;

A <= vystup(6); B <= vystup(5); C <= vystup(4); D <= vystup(3);E <= vystup(2); F <= vystup(1); G <= vystup(0);

end Behavioral;