Τεχνολογία TTL, Τεχνολογία CMOS Κυκλώματα της τυπικής λογικής Μνήμες

Παρουσίαση με θέμα: "Τεχνολογία TTL, Τεχνολογία CMOS Κυκλώματα της τυπικής λογικής Μνήμες"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Τεχνολογία TTL, Τεχνολογία CMOS Κυκλώματα της τυπικής λογικής Μνήμες
Τμήμα Πληροφορικής και Επικοινωνιών, «Ενίσχυση Σπουδών Πληροφορικής», ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ Ιωάννη Καλόμοιρου, Προηγμένα Ψηφιακά Συστήματα ΕΝΟΤΗΤΑ 15Η ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ Τεχνολογία TTL, Τεχνολογία CMOS Κυκλώματα της τυπικής λογικής Μνήμες Κυκλώματα προγραμματιζόμενης λογικής Μικροελεγκτές

2 TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC: Η ΠΥΛΗ AND
Στην οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων TTL χρησιμοποιούνται δίοδοι και τρανζίστορ για να υλοποιηθούν λογικές λειτουργίες – δηλ. λειτουργίες της δυαδικής λογικής και της άλγεβρας των διακοπτών. Με βάση τη διοδική λογική μπορούμε να κατασκευάσουμε απλές λογικές πύλες ως εξής: Πύλη AND: 1. Ε1=0, Ε2=0 Ορθή πόλωση και στις δύο διόδους (δίοδοι ΟΝ). Άρα S=0. 2. E1=1, E2=0 ή Ε1=0, Ε2=1 D1 ON, άρα S=0. 3. E1=1, E2=1. D1, D2 OFF. Άρα S=+5V (λογικό 1).

3 ΠΥΛΗ NAND ΣΕ TTL TTL: Η πιο διαδεδομένη οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιεί διπολική λογική είναι η οικογένεια TTL. Υπάρχουν πολλές υπο-οικογένειες TTL, με διαφορετικές προδιαγραφές ταχύτητας, κατανάλωσης ισχύος κλπ. (παράδειγμα: LS-TTL: Low power Schottky). Η βασική πύλη της οικογένειας TTL είναι η NAND (74LS00). Αυτή έχει στην είσοδο μια πύλη AND με διόδους και ακολουθεί ένας αναστροφέας με τρανζίστορ. Η έξοδος αποτελείται από μια βαθμίδα push-pull που μπορεί να παρέχει επαρκές ρεύμα στην έξοδο. Η έξοδος μπορεί να δίνει ρεύμα (source) ή μπορεί να απάγει ρεύμα (sinks)

4 ΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET)
Τα τρανζίστορ MOSFET είναι η βάση για την τεχνολογία CMOS. Στο MOSFET προσαύξησης n-διαύλου η πηγή και ο απαγωγός είναι περιοχές έντονης πρόσμιξης δοτών n+ μέσα στο υπόστρωμα του p ημιαγωγού. Η πύλη διαμορφώνεται σαν ένα σάντουϊτς μετάλλου-οξειδίου (SiO2)-ημιαγωγού. Το διηλεκτρικό SiO2 ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο της πύλης και στο p υπόστρωμα έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πυκνωτή.

5 Ο ΒΑΣΙΚΟΣ CMOS ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ
Το MOS p-διαύλου έχει αντίθετη συμπεριφορά από το MOS n-διαύλου. Δηλαδή, κλείνει όταν στην είσοδο έχει LOW. Τότε, εξαιτίας της πόλωσης VDD, η πύλη είναι αρνητική σε σχέση με την πηγή και το p-ΜOS άγει. Προσέξτε το μοντέλο των διακοπτών και τον πίνακα λειτουργίας. n-MOS και p-MOS = CMOS (συμπληρωματικά MOS)

6 CMOS NAND ΚΑΙ NOR NAND δύο εισόδων
ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ NAND ΚΑΙ NOR ME k ΕΙΣΟΔΟΥΣ ΧΡΕΙΑΖΟΜΑΣΤΕ k n-ch ΚΑΙ k p-ch MOS τρανζίστορ. NAND δύο εισόδων Όταν μία από τις δύο εισόδους είναι LOW, τότε ενεργοποιείται (ΟΝ) το ένα από τα δύο p-ch MOS και η έξοδος βρίσκει μια χαμηλής αντίστασης διαδρομή προς την τάση Vdd. Ταυτόχρονα, η διαδρομή προς τη γη εμποδίζεται από το n-MOS που είναι OFF. Όταν και οι δύο είσοδοι είναι HIGH, τότε το p-MOS είναι OFF ενώ τα n-MOS φέρνουν την έξοδο στη γη.

7 Ηλεκτρική συμπεριφορά CMOS: Λογικά επίπεδα και επίπεδα θορύβου
4.4V 3.15V 1.35V 0.1V Περιθώριο θορύβου: 1.25V στην κατάσταση high και στην κατάσταση low. Τα όρια του dc θορύβου σημαίνουν πόσος θόρυβος μπορεί να προστεθεί στο σήμα, ώστε να το βγάλει έξω από τα όρια αναγνώρισης στην κατάσταση low και high.

8 Έξοδοι τριών καταστάσεων (Tri-State)
Κύκλωμα απομονωτή τριών καταστάσεων Εκτός από τις καταστάσεις Low και High η έξοδος μπορεί να πάρει τρίτη κατάσταση υψηλής αντίστασης High-Z. Με τη βοήθεια της εισόδου ENABLE μπορούμε να δημιουργήσουμε το Tri-State Bus.

9 Πρόοδος στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
1990 1960

10 Μεταβολή της κλίμακας ολοκλήρωσης με τα χρόνια

11 Το ολοκληρωμένο κύκλωμα 74LS139 - Βασική λειτουργία
Το 74LS139 είναι ένας δυαδικός αποκωδικοποιητής με δύο εισόδους, τέσσερις εξόδους και μία είσοδο ενεργοποίησης. Για κάθε δυνατό συνδυασμό των εισόδων μόνον μία έξοδος βρίσκεται σε λογικό μηδέν, ενώ οι άλλες βρίσκονται σε λογικό 1. Όταν ένας ακροδέκτης ενεργοποιείται με λογικό μηδέν ονομάζεται active low και συμβολίζεται με τον κύκλο, όπως φαίνεται στο σχήμα.

12 Σχεδίαση αποκωδικοποιητή 4-σε-16 με το 74LS138 σε συνδεσμολογία καταρράκτη
Εξηγείστε τη λειτουργία του διπλανού κυκλώματος και δώστε τον πίνακα αληθείας.

13 Παράδειγμα χρήσης αποκωδικοποιητή και απομονωτών τριών καταστάσεων
Παράδειγμα χρήσης αποκωδικοποιητή και απομονωτών τριών καταστάσεων

14 Ποιόν πίνακα αληθείας υλοποιεί το κύκλωμα του διπλανού σχήματος;
ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ-ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΗΣ CMOS: CD4051 Λειτουργία του πολυπλέκτη ως γεννήτρια συναρτήσεων Ποιόν πίνακα αληθείας υλοποιεί το κύκλωμα του διπλανού σχήματος; Να σχεδιάσετε κύκλωμα με τον πολυπλέκτη CD4051 που να υλοποιεί την πύλη NAND τριών εισόδων.

15 Ολοκληρωμένος αθροιστής 74LS83 – 74LS283
Να δημιουργήσετε αθροιστή 8-bits με κατάλληλη χρήση του κυκλώματος 74LS283.

16 Αφαιρέτης Με βάση το παραπάνω κύκλωμα σκεφθείτε πως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον αθροιστή για να κάνουμε αφαίρεση. Προσέξτε πώς οι πύλες XOR υλοποιούν τη έκφραση του συμπληρώματος ως προς 2.

17 Φύλλο δεδομένων του 74LS85: Πίνακας αληθείας και διάγραμμα ακροδεκτών

18 D-Register 4 bit 74LS175

19 MSI καταχωρητές Καταχωρητής ολίσθησης 8 bits σειριακής εισόδου-παράλληλης εξόδου Παράλληλης εισόδου-σειριακής εξόδου Γενικός καταχωρητής ολίσθησης

20 Το Ο.Κ. 74LS193: Σύγχρονος δυαδικός απαριθμητής

21 ΛΟΓΙΚΕΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΣΕ ΜΝΗΜΕΣ ROM
ΜΝΗΜΗ ROM 23x4 ΟΠΟΥ Η ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΓΙΝΕΤΑΙ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΔΙΟΔΩΝ. ΟΠΟΥ ΘΕΛΟΥΜΕ ΝΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΟΥΜΕ 0 ΤΟΠΟΘΕΤΟΥΜΕ ΜΙΑ ΔΙΟΔΟ, ΟΠΩΣ ΣΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ. ΝΑ ΒΡΕΙΤΕ ΤΟΝ ΠΙΝΑΚΑ ΑΛΗΘΕΙΑΣ ΠΟΥ ΥΛΟΠΟΙΕΙ Η ΜΝΗΜΗ.

22 ΣΤΑΤΙΚΕΣ RAM Βασική δομή μιας RAM 2n x b και λειτουργικό διάγραμμα: Όταν SEL_L=1, OUT=Q Όταν SEL_L=1 KAI WR_L=1 τότε C=0, οπότε ανανεώνεται η έξοδος

23 Δομή στατικής RAM 4x4

24 ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ RAM ΜΝΗΜΕΣ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΟΠΟΥ ΤΟ ΚΕΛΙ ΜΝΗΜΗΣ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑΣ ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΤΟΥ ΟΠΟΙΟΥ Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΕΛΕΓΧΕΤΑΙ ΑΠO EΝΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ MOS. Εγγραφή: Θέτουμε τη γραμμή λέξης σε κατάσταση HIGH. Κατόπιν οδηγούμε τη γραμμή δυαδικού ψηφίου σε κατάσταση HIGH ή LOW για να εγγράψουμε 1 ή 0. Ανάγνωση: Προφορτίζουμε τη γραμμή δυαδικού ψηφίου σε ενδιάμεση κατάσταση τάσης. Στη συνέχεια θέτουμε τη γραμμή λέξης σε HIGH. O ενισχυτής ανίχνευσης έρχεται σε λογικό 0 ή 1.

25 Εργαλεία Σχεδίασης ψηφιακών κυκλωμάτων. Το Λογισμικό Quartus II
επιθυμητό σχέδιο Εισαγωγή σχεδίασης Πίνακας αληθείας Σχηματικό διάγραμμα Κώδικας HDL Σύνθεση προσομοίωση ΛΑΘΟΣ ΣΩΣΤΟ Φυσική σχεδίαση-δρομολόγηση Ροή εργασιών στο λογισμικό σύνθεσης και προσομοίωσης Quartus II

26 Δομή προγράμματος σε VHDL

27 Αθροιστής 4-bits - Συνιστώσες κυκλώματος
LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY adder4 IS PORT(Cin :IN STD_LOGIC; x3,x2,x1,x0 :IN STD_LOGIC; y3,y2,y1,y0 :IN STD_LOGIC; s3,s2,s1,s0 :OUT STD_LOGIC; Cout :OUT STD_LOGIC); END adder4; ARCHITECTURE Structure OF adder4 IS SIGNAL c1,c2,c3:STD_LOGIC; COMPONENT fulladder1 PORT(Cin,x,y: IN STD_LOGIC; s, Cout :OUT STD_LOGIC); END COMPONENT; BEGIN Stage0: fulladder1 PORT MAP(Cin,x0,y0,s0,c1); stage1: fulladder1 PORT MAP (c1,x1,y1,s1,c2); stage2: fulladder1 PORT MAP (c2,x2,y2,s2,c3); stage3: fulladder1 PORT MAP (c3,x3,y3,s3,Cout); END Structure;

28 Απαριθμητής 4-bits

29 Τι είναι το απλό PLD (SPLD)
Βασική βαθμίδα ενός PLD είναι ο πίνακας προγραμματιζόμενης Λογικής. Ο διπλανός πίνακας AND-OR μπορεί να υλοποιήσει τέσσερις συναρτήσεις με πέντε όρους γινομένων η κάθε μία.

30 Τομή λειτουργικής βαθμίδας CPLD

31 Λογικά στοιχεία, πίνακας διασυνδέσεων

32 ΛΟΓΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ (LOGIC ELEMENT) Είναι η βασική μoνάδα λογικής σε FPGAs της εταιρίας Altera.
H λογική που εκτελεί ένα λογικό στοιχείο βρίσκεται αποθηκευμένη σε Look-up Table, που υλοποιείται με SRAM. Έτσι, ο προγραμματισμός των FPGAs διαφέρει από αυτόν των CPLDs αφού στηρίζεται σε μνήμες SRAM και όχι σε τηκόμενες συνδέσεις.

33 Δομή του πίνακα αναφοράς (LUT) με στοιχεία μνήμης SRAM.

34 Σχέση της προγραμματιζόμενης λογικής με άλλους τύπους σχεδίασης ψηφιακών συστημάτων

35 Αρχιτεκτονική von-Neumann και αρχιτεκτονική Harvard

36 Βασική δομή του μικροελεγκτή PIC16F877
Βασική δομή επεξεργαστή και μονάδες περιφερειακών συσκευών