Файл: Конспект лекций по ЦП, ч1 (Пономарёв, 2006).pdf

Вмомент t0 в старший разряд регистра RG1 записывается лог."1" (гиря с наибольшим весом). На выходах регистра RG1 появляется код 10..00(BIN) = 2^(n-1) = 512. ЦАП генерирует напряжение Uцап(n-1) = Uо * 2^(n-1) / 2^n = Uо / 2. Аналоговый компаратор сравнивает напряжения, и если Uцап(n-1) <= Uвх, то единица в старшем разряде сохраняется, если Uцап(n-1) > Uвх, в старший разряд записывается ноль.

Вмомент t1 единица записывается в предпоследний разряд (n-2) и на выходах регистра RG1 появится код: Qn-1,1,0,0,..,0 равный сумме двух кодов: (Qn-1) * 2^(n-1) - значения старшего бита, полученного в предыдущем такте, и 2^(n-2) = 0100..0(BIN) = 256 - цифрового кода с уменьшенным в два раза "весом".

Выходное напряжение Uцап(n-2) = Uцап(n-1) * Q(n-1) + Uо *2^(n-2) / 2^n = (Uo / 2) * Q(n-1) + Uо / 4 опять сравнивается с входным. Если Uцап(n-2) <= Uвх, то единица в предпоследнем разряде сохраняется, если Uцап(n-2) > Uвх, в (n-2)-ой разряд записывается ноль.

Описанный процесс производится в общей сложности n-раз. В конце цикла преобразования схема управления вырабатывает импульс готовности ~RDY, который записывает полученный код в выходной регистр. Этот же импульс выводится наружу, для оповещения. Время преобразования Tпреобр = tclk*n. где tclk = t(i+1)-ti период повторения тактовых импульсов внутреннего генератора. Временные диаграммы и условное обозначение АЦП приведены рисунке.

По этому принципу действия выпускаются преобразователи типов 572ПВ1 и 1113ПВ1(А..В). Зависимость прямого двоичного кода D от входного напряжения: D = |(Uвх * 2^n)| / Uo, где D десятичный эквивалент кода на входе АЦП.

5.5АЦП ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ТИПА

Втаком АЦП весь диапазон входного напряжения разбивается на 2^n интервалов. Каждому интервалу соответствует опорное напряжение Uо(i), снимаемое с делителя напряжения, и свой аналоговый компаратор, сравнивающий Uвх с Uо(i).

Для любого входного напряжения в диапазоне (0 .. ¦Uo¦)В найдется такой i-ый компаратор, входное напряжение на котором будет больше или равно опорному U(i). В этом случае на выходе этого компаратора напряжений и на выходах всех компараторов с номерами меньшими i появится "1", а на выходах остальных "0". Приоритетный шифратор сформирует двоичный код, равный наивысшему номеру входа на котором еще присутствует единица. Полученный код через управляемые инверторы/повторители, выполненные на элементах равнозначности, защелкивается в выходном регистре.Учитывая логику работы шифратора, заключающуюся в том, что если на его входах с 1-го по (n-1)-ый одни нули, то единица обязательно должна быть на нулевом входе, можно сэкономить на нулевом компараторе. В этом случае нулевой вход шифратора постоянно подключен к "1", и если входное напряжение находится в пределах 0 <= ¦Uвх¦ < ¦U(1)¦, то нулевой код на выходе генерируется автоматически. Элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ-НЕ при значении Mi = 0 инвертируют выходной сигнал шифратора, а при Mi = 1 повторяют его. Зависимость выходного кода от режима дана ниже:

Быстродействие достигается, как за счет параллельного принципа работы, так и за счет конвейерного передвижения информации внутри АЦП (см.рисунок).

В момент t0 положительным фронтом сигнала C происходит защелкивание кода от предыдущего цикла преобразования. В момент t1 компараторы открываются и начинается сравнение входного напряжения с опорным в текущем цикле. Когда тактовый сигнал C станет равным нулю (момент t2), шифратор отпирается по входу C и начинает преобразование текущего значения Uвх в код. Следующий цикл преобразования начинается в момент t3, когда производится запоминание в регистре текущего кода и его появление на выходах в момент t4, одновременно с началом сравнения на входах компараторов следующего значения напряжения. Время преобразования Tпр = Tclk, т.е. примерно на порядок меньше, чем у АЦП последовательных приближений. По такой схеме выполняются преобразователи типа 1107ПВ1,..5.

6. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ПАМЯТЬ)

Для хранения информации в микропроцессорных системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных - это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств.

Внутренняя или основная память может быть двух типов: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) и постоянное ЗУ (ПЗУ). ОЗУ, кроме того, обозначается - (RAM, Random Access Memory), а ПЗУ - (ROM, Read Only Memory). Получила также распространение Флэш(Flash) память, имеющая особенности и ОЗУ и ПЗУ и энергонезависимая память (Nonvolatile - NV). Последнее название условно, так как ПЗУ и Флэш память, также энергонезависимы. В ОЗУ коды в соответствии с решаемыми задачами постоянно изменяются и полностью пропадают при выключении питания. В ПЗУ хранятся управляющие работой ЭВМ стандартные программы, константы, таблицы символов и другая информация, которая сохраняется и при выключении компъютера. ОЗУ подразделяются на статическую память (SRAM), динамическую (DRAM), регистровую (RG). ПЗУ могут быть: масочными - запрограммированными на заводе изготовителе (ROM), однократно-программируемыми пользователем ППЗУ (PROM или OTP), многократно-программируемыми (репрограммируемыми) пользователем РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) или c электрическим стиранием (EEPROM,Flash). Широкое распространение нашли также программируемые логические матрицы и устройства (PLM, PML, PLA, PAL, PLD, FPGA и т.д.) с большим выбором логических элементов и устройств на одном кристалле.

В зависимости от типа ЗУ элементом памяти (ЭП) может быть: триггер, миниатюрный конденсатор, транзистор с "плавающим затвором", плавкая перемычка (или ее отсутствие). Упорядоченный набор ЭП образует ячейку памяти (ЯП). Количество элементов памяти в ячейке (длина слова) обычно кратно 2n

(1,4,8,16, 32,64..), причем величины свыше 8-ми достигаются, обычно, группировкой микросхем с меньшим количеством ЭП. Количество ЭП в ЯП иногда называется длиной слова. Основными характеристиками микрсхем памяти являются: информационная емкость, быстродействие и энергопотребление. Емкость ЗУ чаще всего выражается в единицах кратных числу 210 = 1024 = 1K. Для длины слова равной биту (одному двоичному разряду) или байту (набору из восьми бит) эта единица называется килобит или килобайт и обозначается Kb или KB.

Каждой из двух в степени "n" ячеек памяти однозначно соответствует "n"- разрядное двоичное число, называемое адресом ЯП. Например, адресом 511-ой ячейки будет число 1 1111 1111(BIN) = 511(DEC) = 1FF(HEX). В программах адреса употребляются в 16-ном формате. Емкость ЗУ часто выражается произведением двух чисел 2n * m, где 2n - число ячеек памяти, а m - длина слова ячейки, например 8K * 8 (м/с 537РУ17), т.е. 8192 ячейки размером в один байт. В некоторых справочниках для этой же микросхемы приводится обозначение емкости одной цифрой 64Kбит, что никак не отражает внутреннюю организацию этой микросхемы, такую же емкость могут иметь м/с с организацией 16K * 4, 64K * 1 и т.д.

Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si02, то их обычно называют МОП (металл-оксид-полупроводник) структурами).

Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие как оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), так и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым.

Степень интеграции, быстродействие, электрические параметры ЗУ при записи и хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность, стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д. зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении.

На развитие микропроцессорной техники решающее значение оказывает технология производства интегральных схем.

Полупроводниковые интегральные микросхемы подразделяются на биполярные ИМС и МОП схемы, причем первые - более быстродействующие, а вторые имеют большую степень интеграции, меньшую потребляемую мощность и меньшую стоимость. Цифровые микросхемы могут по идеологии, конструкторскому решению, технологии относится к разным семействам, но выполнять одинаковую функцию, т.е. быть инвертором, триггером или процессором. Наиболее популярными семействами можно назвать у биполярных ИМС: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ТТЛШ (с диодами Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика); у МДП: n-МОП и КМОП.

Базовым материалом для изготовления ИМС является кремний. Несмотря на то, что он не обладает высокой подвижностью носителей заряда (mn=1500 см2/Вс), а значит, приборы на его основе теоретически

будут уступать по быстродействию приборам на основе арсенида галлия GaAs, однако система Si-SiO2 существенно более технологична. С другой стороны, приборы на кремниевой основе кремний-оксид кремния) обладают совершенной границей раздела Si-SiO2, химической стойкостью, электрической прочностью и другими уникальными свойствами.

Технологический цикл производства ИМС включает:

-эпитаксиальное наращивание слоя на подготовленную подложку;

-наращивание слоя SiO2 на эпитаксиальный слой;

-нанесение фоторезиста, маскирование и вытравливание окон в слое;

-легирование примесью путем диффузии или имплантацией;

-аналогично повторение операций для подготовки других легиро-ванных областей;

-повторение операций для создания окон под контактные площадки;

-металлизацию всей поверхности алюминием или поликремнием;

-повторение операций для создания межсоединений;

-удаление излишков алюминия или поликремния;

-контроль функционирования;

-помещение в корпус;

-выходной контроль.

Наиболее критичным для увеличения степени интеграции является процесс литографии, т.е. процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность кремниевой пластины. С помощью этого рисунка формируют такие элементы схемы, как электроды затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п. На первой стадии изготовления ИМС после завершения испытаний схемы или моделирования с помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. С помощью электронно-лучевого устройства или засветки другим способом топологический рисунок схемы последовательно, уровень за уровнем можно переносить непосредственно на поверхность кремниевой пластины, но чаще на фоточувствительные стеклянные пластины, называемые фотошаблонами. Между переносом топологического рисунка с двух шаблонов могут быть проведены операции ионной имплантации, загонки, окисления и металлизации. После экспонирования пластины помещают в раствор, который проявляет изображение в фоточувствительном материале - фоторезисте.

Увеличивая частоту колебаний световой волны, можно уменьшить ширину линии рисунка, т. е. сократить размеры интегральных схем. Но возможности этой технологии ограничены, поскольку рентгеновские лучи трудно сфокусировать. Один из вариантов - использовать сам свет в качестве шаблона (так называемое позиционирование атомов фокусированным лазерным лучом). Этим способом, осветив двумя взаимно перпендикулярными лазерными пучками, можно изготовить решетку на кремниевой пластине из хромированных точек размером 80 нм. Сканируя лазером поверхность для создания произвольного рисунка интегральных наносхем, теоретически можно создавать схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние. Второе ограничение при литографии накладывает органическая природа фоторезиста. Путь ее решения - применение неорганических материалов, например, оксидов ванадия.

Физические процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП транзистора:

-включению паразитного биполярного транзистора (исток-подложка-сток);

-неравномерному заряжению диэлектрика у стока;

-деградации приповерхностной области полупроводника;

-пробою диэлектрика.

Поэтому необходимо уменьшение напряжения питания СБИС до 3.6, 3.3, 3 В и т.п., при этом известно, что блок питания компьютера обеспечивает обычно напряжения +5В, +12В, -12В.

Однако инжекция и заряжение диэлектрика не всегда процесс отрицательный или паразитный. Уменьшение напряжения записи информационного заряда в репрограммируемых ЗУ ниже 12 В позволяет их программировать внутри микропроцессорной системы, а не специальным устройством (программатором). Тогда для разработчика открываются большие возможности для программирования не только адреса микросхем контроллера или адаптера в пространстве устройств ввода/вывода или номера прерывания, но и творить необходимое устройство самому (если иметь такую ИМС). Однако отметим, что кроме "хозяина" это может сделать и компьютерный вирус, который будет, естественно, разрушать, а не созидать что-либо.

6.1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПАМЯТИ

Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

1. Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п. Важной характеристикой

кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M - число слов, N - разрядность слова. Например, кристалл емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

2. Временные характеристики памяти.

Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША - адрес, с ШУ - сигнал "чтение" или "запись" и с ШД - данные.

3.Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

4.Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти.

5.Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП-памяти.

6.Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие.

6.2ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Полупроводниковые ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным

доступом. ЗУПВ подразделяются на:

- статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ);

-динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ). ЗУ с последовательным доступом подразделяются на:

-регистры сдвига;

-приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Воснове большинства современных ОЗУ лежат комплиментарные МОП ИМС (КМОП), которые отличаются малой потребляемой мощностью. Это достигается применением пары МОП транзисторов с разным типом канала: n-МОП и p-МОП. Как видно на рис. 6.1, в КМОП инверторе как при низком, так и при высоком уровне сигнала на входе один из транзисторов закрыт. Поэтому потребление энергии происходит только при переключении "1"R"0" (и обратно).

Рис. 6.1. Схема КМОП инвертора.

Чтобы реализовать на подложке n-типа не только p-канальный транзистор, но и n-канальный, последний изготавливается в так называемом "кармане", как показано на рис. 6.2

Рис. 6.2. Конструкция инвертора на КМОП транзисторах.

Аналогично на четырех МОП транзисторах (2 n-МОП и 2 p-МОП, включенных параллельно и последовательно) можно построить и другие базовые логические элементы "И" и "ИЛИ" и, соответственно, на их основе строятся все другие более сложные логические схемы.

Как известно, быстродействие МОП транзисторов в первую очередь ограничивается большой входной емкостью затвор-исток (подложка). Уменьшение геометрических размеров приборов (площади затвора и длины канала) при увеличении степени интеграции увеличивает граничную частоту.

Малое потребление энергии позволяет использовать КМОП ИМС с питанием от микробатареи как ПЗУ, где располагается часть операционной системы, которая осуществляет начальную загрузку всей системы (программа Setup).

6.2.1ОЗУ СТАТИЧЕСКОГО ТИПА

Вкачестве элемента памяти используется простейший D-триггер защелка. В микросхеме 537РУ10 каждая ЯП состоит из восьми триггеров и располагаются ячейки на кристалле в виде прямоугольной матрицы.

На рисунке приведены обозначения: n-адресных входов (A0 .. An-1), DIO - двунаправленная восмиразрядная шина данных, вход разрешения выходов - ~OE, вход выбора микросхемы - ~CS и вход разрешения записи - ~WE, который часто обозначают по другому - ~WR/RD, подчеркивая этим, что при низком значении сигнала на этом входе производится запись байта, а при высоком уровне - чтение. EO, DI, WR - внутренние сигналы вырабатываемые блоком управления чтением/записью/хранением. Доступ к произвольной ЯПj производится с помощью прямоугольного дешифратора, состоящего из двух обычных дешифраторов, причем k-адресных линий заводится на дешифратор столбцов (DCc), а оставшиеся n-k линий подключены к дешифратору строк (DCr). Количество строк и столбцов будет соответственно равно 2n-k и 2k, т.е. общее количество, обслуживаемых ЯП, равно 2k * 2n-k = 2n.

На рисунке внизу показан фрагмент внутренней структуры микросхемы, по которому можно проследить основные режимы ее работы. Здесь же дано условное обозначение микросхемы.

На рисунке схемы с открытым коллектором и третьим состоянием обозначены ОК и Z - соответственно. Точками выделен один (j-ый) из восьми элементов i-ой ячейки памяти. Схема И с номером i = (r * 2k + c) является одним из 2n выходных узлов прямоугольного дешифратора, где r и c - номера строк и столбцов матрицы. Инверсный вход (C)hip (S)elect - ~CS, во всех микросхемах, где он встречается, служит для приведения схемы в рабочее состояние низким уровнем сигнала на этом входе.

Если ~CS = 1 (пассивный уровень), микросхема - не выбрана и операции с ней производить невозможно. Из рис. видно, что в этом случае на L-входе D-триггера - ноль, запись невозможна и триггер хранит ранее записанный бит. Прочитать выходной код - Q тоже нельзя, т.к. на прямом входе EO разрешения выхода запрещающий нулевой сигнал и вход/выход DIOi находится в третьем состоянии.

С поступлением ~CS = 0, схемы ИЛИ-НЕ разблокируются и дальше все зависит от значений сигналов

~WE и ~OE.

В режиме записи сигнал ~WE = 0. Поэтому независимо от значения сигнала ~OE на входе схемы, внутренний сигнал EO, тоже равен 0, и чтение данных во время записи невозможно. На верхнем входе