Цифровая схемотехника и архитектура компьютера, второе издание. Глава 1

1.

Глава 1
Цифровая схемотехника и архитектура
компьютера, второе издание
Дэвид М. Харрис и Сара Л. Харрис
Глава 1 <1>

2.

Логические элементы
• Выполняют логические функции
– Инверсия (НЕ), И (AND), ИЛИ (OR), И-НЕ(NAND),
ИЛИ-НЕ(NOR), и т.д.
• С одним входом
– Элемент НЕ, буфер
• С двумя входами
– И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ,
Исключающее ИЛИ-НЕ
• С несколькими входами
Глава 1 <2>

3.

Логические элементы с одним входом
NOT
A
BUF
Y
Y=A
A
0
1
A
Y
Y=A
Y
A
0
1
Y
Глава 1 <3>

4.

Логические элементы с одним входом
NOT
A
BUF
Y
Y=A
A
0
1
A
Y
Y=A
Y
1
0
A
0
1
Y
0
1
Глава 1 <4>

5.

Логические элементы с двумя входами
AND
A
B
OR
Y
A
B
Y = AB
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
Y=A+B
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
Глава 1 <5>

6.

Логические элементы с двумя входами
AND
A
B
OR
Y
A
B
Y = AB
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
Y=A+B
Y
0
0
0
1
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
1
1
1
Глава 1 <6>

7.

Прочие логические элементы с двумя входами
XOR
A
B
NAND
A
B
Y
Y=A+B
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
NOR
Y
Y = AB
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
A
B
XNOR
Y
Y=A+B
Y
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
A
B
Y
Y=A+B
Y
Глава 1 <7>
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y

8.

Прочие логические элементы с двумя входами
XOR
A
B
NAND
A
B
Y
Y=A+B
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
NOR
Y
Y = AB
Y
0
1
1
0
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
A
B
XNOR
Y
Y=A+B
Y
1
1
1
0
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
A
B
Y
Y=A+B
Y
1
0
0
0
Глава 1 <8>
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
1
0
0
1

9.

Логические элементы с несколькими входами
AND4
NOR3
A
B
C
Y
Y = A+B+C
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
Y
A
B
C
D
Y
Y = ABCD
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
Глава 1 <9>
Y

10.

Логические элементы с несколькими входами
AND4
NOR3
A
B
C
Y
Y = A+B+C
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
Y
1
0
0
0
0
0
0
0
A
B
C
D
Y
Y = ABCD
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
Y
0
0
0
0
0
0
0
1
• Многовходовый элемент XOR: Контроль четности
Глава 1 <10>

11.

Логические уровни
• Дискретные уровни напряжения
представляют 1 и 0
• Например:
– 0 = земля (GND) или 0 В
– 1 = VDD или 5 В
• Как трактовать напряжение 4.99 В? Это 0
или 1?
• Как трактовать напряжение 3.2 В?
Глава 1 <11>

12.

Логические уровни
• Диапазон напряжений для 1 и 0
• Разные диапазоны для входов и
выходов обеспечивают работу схем
при наличии помех и шумов
Глава 1 <12>

13.

Что такое шум?
• Любая помеха искажающая сигнал
– Например, сопротивление проводников,
помехи источника питания, наводки от
соседних проводников и т.д.
• Пример: элемент (его выходной каскад) выдает 5
В, но из-за сопротивления длинного проводника
на приемник поступает 4.5 В
Noise
Driver
5V
Receiver
4.5 V
Глава 1 <13>

14.

Статическая дисциплина
• Если на вход элемента поступают
корректные логические значения, на
его выходе формируются корректные
выходные сигналы
• Для представления дискретных
величин используется ограниченный
диапазон напряжений
Глава 1 <14>

15.

Логические уровни
Driver
Receiver
Output Characteristics
Logic High
Output Range
VO H
VDD
Input Characteristics
Logic High
Input Range
NMH
Forbidden
Zone
VO L
NML
VIH
VIL
Logic Low
Input Range
Logic Low
Output Range
GND
Глава 1 <15>

16.

Допустимые уровни шумов
Driver
Receiver
Output Characteristics
Logic High
Output Range
VO H
VDD
Input Characteristics
Logic High
Input Range
NMH
Forbidden
Zone
VO L
NML
VIH
VIL
Logic Low
Input Range
Logic Low
Output Range
GND
NMH = VOH – VIH
NML = VIL – VOL
Глава 1 <16>

17.

Передаточная характеристика на постоянном токе
Идеальный буфер:
Реальный буфер:
V(Y)
A
Y
V(Y)
VDD
VOH
VOH VDD
Unity Gain
Points
Slope = 1
VOL
VOL 0
V(A)
VDD / 2
V(A)
0
VDD
VIL VIH
VIL, VIH
NMH = NML = VDD/2
NMH , NML < VDD/2
Глава 1 <17>
VDD

18.

Передаточная характеристика на постоянном токе
A
Y
V(Y)
Output Characteristics
VDD
VOH
VO H
VDD
Input Characteristics
NMH
Forbidden
Zone
Unity Gain
Points
Slope = 1
VOL
VO L
NML
V(A)
0
VIL
VIH
VDD
GND
Глава 1 <18>
VIH
VIL

19.

Изменение VDD
• В 1970 и 1980 годы, VDD = 5 В
• В следующие годы VDD уменьшается
– Уменьшается нагрев транзисторов
– Уменьшается энергопотребление
• 3.3 В, 2.5 В, 1.8 В, 1.5 В, 1.2 В, 1.0 В, …
• При соединении микросхем с
разными напряжениями питания
нужно быть очень осторожным
Микросхемы работают, пока они
содержат волшебный дым
Доказательство:
– Если волшебный дым покидает
микросхему, она перестает работать
Глава 1 <19>

20.

Примеры логических семейств
Логические
семейства
TTL
VDD
VIL
VIH
VOL
VOH
5 (4.75 - 5.25)
0.8
2.0
0.4
2.4
КМОП
5 (4.5 - 6)
1.35
3.15
0.33
3.84
LVTTL
3.3 (3 - 3.6)
0.8
2.0
0.4
2.4
LVCMOS
3.3 (3 - 3.6)
0.9
1.8
0.36
2.7
Глава 1 <20>

21.

Транзисторы
• Логические элементы состоят из транзисторов
• Трехвходовый управляемый напряжением
выключатель
– Соединение двух входов зависит от напряжения на
третьем
– d и s соединены (ON) когда g равно 1
d
g=0
g=1
d
d
g
ON
OFF
s
s
s
Глава 1 <21>

22.

Роберт Нойс, 1927-1990
• Прозвище - “Мэр
Силиконовой долины”
• Со-основатель Fairchild
Semiconductor в 1957 году
• Со-основатель Intel в 1968
году
• Одни из изобретателей
интегральной микросхемы
Глава 1 <22>

23.

Кремний
• Транзисторы создаются из полупроводникового материала, кремния
• Чистый кремний плохой проводник (свободные носители заряда
отсутствуют)
• Легированный кремний хороший проводник (есть свободные
носители заряда)
– n-типа (свободные носители заряда отрицательные (negative),
электроны)
– p-типа (свободные носители заряда положительные(positive),
дырки)
Free electron
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Silicon Lattice
Free hole
Si
Si
Si
As
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
-
+
n-Type
+
-
p-Type
Глава 1 <23>
Si
Si
Si

24.

МОП транзисторы
• Метал-оксид-полупроводник (МОП)
транзисторы:
– Поликремниевый (используется как метал) затвор
– Оксидный (диоксид кремния) изолятор
– Легированный кремний
source
gate
drain
Polysilicon
SiO2
n
n
p
substrate
gate
source
Глава
drain
nMOS
1 <24>

25.

Транзисторы: n-МОП
Gate = 0
Gate = 1
OFF (исток и сток
не соединены )
ON (исток и сток
соединены )
source
drain
source
gate
gate
VDD
drain
GND
n
n
p
substrate
n
+++++++
------channel
p
GND
GND
Глава 1 <25>
n
substrate

26.

Транзисторы: p-МОП
• p-МОП транзистор работает
противоположным образом
– ON, когда Gate = 0
– OFF, когда Gate = 1
source
gate
drain
Polysilicon
SiO2
p
p
n
substrate
gate
source
drain
Глава 1 <26>

27.

Работа транзистора
d
nMOS
pMOS
g=0
g=1
d
d
OFF
g
ON
s
s
s
s
s
s
g
OFF
ON
d
d
Глава 1 <27>
d

28.

Работа транзистора
• n-МОП: Хорошо передают 0, т.е. исток соединен
с GND
• p-МОП: Хорошо передают 1, т.е. исток соединен
с VDD
pMOS
pull-up
network
inputs
output
nMOS
pull-down
network
Глава 1 <28>

29.

Логические элементы КМОП: Логический элемент
НЕ:
NOT
A
VDD
Y
A
Y=A
A
0
1
Y
1
0
A
P1
Y
N1
GND
P1
N1
Y
0
1
Глава 1 <29>

30.

Логические элементы КМОП: Логический элемент
НЕ:
NOT
A
VDD
Y
A
Y=A
A
0
1
Y
1
0
P1
Y
N1
GND
A
P1
N1
Y
0
Вкл.
Выкл.
1
1
Выкл.
Вкл.
0
Глава 1 <30>

31.

Логические элементы КМОП: Логический элемент
И-НЕ:
NAND
A
B
Y
P2
Y
Y = AB
A
0
0
1
1
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
B P1
0
1
0
1
P1
Y
1
1
1
0
P2
A
N1
B
N2
N1
N2
Y
Глава 1 <31>

32.

Логические элементы КМОП: Логический элемент
И-НЕ:
NAND
A
B
Y
A B P1
B
0
1
0
1
P1
Y
Y = AB
A
0
0
1
1
P2
Y
1
1
1
0
P2
A
N1
B
N2
N1
N2
Y
0 0 Вкл. Вкл.
0 1 Вкл. Выкл.
1 0 Выкл. Вкл.
Выкл.
Выкл.
Вкл.
Выкл.
Вкл.
Выкл.
1
1
1
1 1 Выкл. Выкл.
Вкл.
Вкл.
0
Глава 1 <32>

33.

Структура элемента КМОП
pMOS
pull-up
network
inputs
output
nMOS
pull-down
network
Глава 1 <33>

34.

Логический элемент ИЛИ-НЕ
Как построить элемент ИЛИ-НЕ?
Глава 1 <34>

35.

Элемент ИЛИ-НЕ с тремя входами
A
B
C
Y
Глава 1 <35>

36.

Другие элементы КМОП
Как построить элемент И с двумя входами?
Глава 1 <36>

37.

Элемент И с двумя входами
A
B
Y
Глава 1 <37>

38.

Передаточный логический элемент
• n-МОП плохо передают 1
• p-МОП плохо передают 0
• Передаточный логический элемент
лучший выключатель
EN
A
B
EN
– хорошо передает и 0 и 1
• Когда EN = 1, выключатель замкнут (ON):
– EN = 1 и A соединен с B
• Когда EN = 0, выключатель разомкнут (OFF):
– A и B не соединены
Глава 1 <38>

39.

Элементы Псевдо-n-МОП
• Заменить подтягивающую цепь слабым всегда
включенным p-МОП транзистором
• p-МОП транзистор: подтягивает выход к
высокому напряжению, только если n-МОП
цепь не тянет его к низкому напряжению
weak
Y
inputs
nMOS
pull-down
network
Глава 1 <39>

40.

Пример элемента Псевдо-n-МОП
Псевдо-n-МОП элемент NOR4
weak
Y
A
B
C
D
Глава 1 <40>

41.

Гордон Мур, 1929• Со-основатель (вместе с
Робертом Нойсом) Intel в
1968 году
• Закон Мура: количество
транзисторов на
микросхеме удваивается
каждый год (наблюдался в
1965 году)
• С 1975 года количество
транзисторов удваивается
каждые два года
Глава 1 <41>

42.

Закон Мура:
• “Если автомобильная промышленность подчинялась бы
такому же циклу развития, как и компьютерная, Rolls-Royce
стоил бы сейчас $100, на одном галлоне бензина проезжал бы
миллион миль и взрывался бы раз в году. . .”
– Robert Cringley
Глава 1 <42>

43.

Энергопотребление
• Мощность = Потребление энергии в
единицу времени
– Динамическая потребляемая мощность
– Статическая потребляемая мощность
Глава 1 <43>

44.

Динамическая потребляемая мощность
• Мощность идет на зарядку емкостей
заторов транзисторов
– Для зарядки конденсатора емкостью C до
напряжения VDD необходима энергия CVDD2
– Ток переключается с частотой f: транзистор
переключается (от 0 в 1 или наоборот) с
такой частотой
– Конденсатор заряжается f/2 раз за секунду
(разрядка из 1 в 0 не требует энергии)
• Динамическая потребляемая мощность:
Pdynamic = ½CVDD2f
Глава 1 <44>

45.

Статическая потребляемая мощность
• Мощность, потребляемая, когда
элементы не переключаются
• Обусловлена токами покоя (токами
утечки), IDD
• Статическая потребляемая мощность:
Pstatic = IDDVDD
Глава 1 <45>

46.

Пример оценки
энергопотребления
• Оцените мощность, потребляемую
беспроводным переносным
компьютером
– VDD = 1.2 В
– C = 20 нФ
– f = 1 ГГц
– IDD = 20 мА
Глава 1 <46>

47.

Пример оценки
энергопотребления
• Оцените мощность, потребляемую
беспроводным переносным компьютером
–
–
–
–
VDD = 1.2 В
C = 20 нФ
f = 1 ГГц
IDD = 20 мА
P = ½CVDD2f + IDDVDD
= ½(20 nF)(1.2 V)2(1 GHz) +
(20 mA)(1.2 V)
= 14.4 W
Глава 1 <47>