Цифровая электроника

редактировать
Электронные схемы, использующие цифровые сигналы Цифровая электроника A цифровой сигнал имеет две или более различных формы сигнала в в этом высоком высоком напряжении и низком напряжении, каждое из которых может быть отображено на цифру. Промышленный цифровой контроллер

Цифровая электроника - это область электроники, включающая просмотр цифровых сигналов и разработка устройств, которые их используют или производят. В этом отличие от аналоговой электроники и аналоговых сигналов.

Цифровые электронные схемы обычно состоят из больших сборок логических вентилей, часто упакованных в интегральные схемы. Сложные устройства могут иметь простое электронное представление функций логической логики.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Цифровая революция и цифровая эра
  • 2 Свойства
  • 3 Конструкция
  • 4 Дизайн
    • 4.1 Представление
    • 4.2 Синхронные системы
    • 4.3 Асинхронные системы
    • 4.4 Системы передачи регистров
    • 4.5 Компьютерное проектирование
    • 4.6 Компьютерная архитектура
    • 4.7 Проблемы проектирования в цифровых схемах
    • 4.8 Инструменты автоматизированного проектирования
    • 4.9 Дизайн для тестируемости
    • 4.10 Компромиссы
      • 4.10.1 Стоимость
      • 4.10.2 Надежность
      • 4.10.3 Разветвление
      • 4.10.4 Скорость
  • 5 семейств логики
  • 6 Последние разработки
  • 7 См. Также
  • 8 Примечания
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

История

двоичная система счисления был уточнен Готфридом Вильгельмом Лейбницем (опубликован в 1705 году), и он также установил, что с помощью двоичной системы можно соединить принципы арифметики и логики. Цифровая логика в том виде, в котором мы ее знаем, была детищем Джорджа Буля в середине 19 века. В письме 1886 года Чарльз Сандерс Пирс описал, как логические операции электрическими переключающими цепями. В конце концов, электронные лампы заменили реле для логических операций. Модификация Ли Де Фореста в 1907 году клапана Флеминга может быть как вентиль И. Людвиг Витгенштейн представил версию 16-строчной таблицы истинности как предложение 5.101 из Tractatus Logico-Philosophicus (1921). Вальтер Боте, изобретатель схемы совпадений, в 1924 году получил Нобелевскую премию по физике за первый современный электронный логический элемент И в 1924 году.

Механический Аналоговые компьютеры начали появляться в первом веке и позже использовались в средневековую эпоху для астрономических расчетов. В Второй мировой войне механические аналоговые компьютеры использовались для военных приложений, таких как расчет наведения торпед. В это время были разработаны первые электронные цифровые компьютеры. Первоначально они были размером с большую комнату и потребляли столько же энергии, сколько несколько сотен современных компьютеров (ПК).

Z3 был электромеханическим компьютер разработан Конрадом Зузе. Завершенный в 1941 году, это был первый в мире рабочий программируемый, полностью автоматический цифровой компьютер. Этим способствовало изобретение вакуумной лампы в 1904 г. Джоном Амброузом Флемингом.

. В то время как цифровые вычисления заменили аналоговые, чисто элементы электронных схем вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты.. Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели точечный транзистор в Bell Labs в 1947 году, за ним последовал Уильям Шокли изобретение транзистора с биполярным соединением в Bell Labs в 1948 году.

В Манчестерском университете команда под руководством Тома Килбурна спроектировал и построил машину, использующую недавно разработанные транзисторы вместо электронных ламп. Их первый транзисторный компьютер и первый в мире был в рабочем состоянии к 1953, а версия была завершена там в апреле 1955 года. С 1955 года транзисторы заменили электронные лампы в компьютерных конструкциях., дав начало компьютерам «второго поколения». По сравнению с электронными лампами были меньше, более надежны, имели большой срок службы и требовали меньше энергии, чем электронные лампы тем самым более плотную концентрацию схем, до десятков тысяч в относительно компактном пространстве.

Работая в Texas Instruments в июле 1958 года, Джек Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы (IC), а успешно действал первый рабочий был интегрирован 12 сентября 1958 г. Чип Килби был сделан из германия. В следующем году Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрел кремниевую интегральную схему. Основой кремниевой ИС Нойса был план в начале 1959 года Джин Хорни, который, в свою очередь, строил на Мохаммед Аталла Метод пассивации поверхности кремния, в 1957 году. Этот новый метод, интегральная схема, позволяет быстро и недорого изготавливать сложные схемы за счет набора электронных схем на одной небольшой пластине («чип») из полупроводникового материала, обычно кремния.

Цифровая революция и цифровая эра

полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), также известный как MOS-транзистор, был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. Преимущества MOSFET включают высокую масштабируемость, доступность, низкое энергопотребление и высокую плотность транзисторов. скорость электронного переключения также делает его идеальным для генерации последовательности сигналов, основы для электронных цифровых сигналов, в отличие от BJT, которые генерируют более медленно аналоговые сигналы, похожие на синусоидальные. Наряду с MOS крупномасштабной интеракт грацией (LSI), эти факторы делают MOSFET важным переключающим для цифровых схем. MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и является наиболее распространенным полупроводниковым распространением. МОП-транзисторы фундаментальные строительными блоками цифровой электроники во время цифровой революции конца 20-го - начала 21-го веков. Это проложило путь к цифровой эре начала 21 века.

В первые дни интегральных схем каждая микросхема была ограничена всего ограниченными транзисторами, а низкая степень интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым. Урожайность в обрабатывающей промышленности также довольно низкая по сегодняшним меркам. Широкое распространение MOSFET-транзисторов к началу 1970-х годов привело к появлению первого микросхема крупномасштабной интеграции (LSI) с более чем 10 000 транзисторов на одном кристалле. После широкого внедрения CMOS, типа логики MOSFET, к 1980-м годам миллионы, а и миллиарды MOSFET могли быть размещены на одном кристалле по мере развития технологии, а хорошая конструкция потребовала тщательного планирования, что привело к новые методы проектирования. Количество транзисторов как в отдельных устройствах, так и в общем объеме производства выросло дорецедентных высот. Общее количество транзисторов, произведенных до 2018 года, оценивается в 1,3 × 10 (13 секстиллион ).

беспроводная революция, и внедрение беспроводных сетей, началось в 1990- х годах и стало возможным благодаря широкому внедрению усилителей мощности ВЧ мощности на основе MOSFET (MOSFET и LDMOS ) и схем RF (RF CMOS ). Беспроводные сети позволяют осуществлять цифровую передачу в общественных местах без необходимости в кабелях, что ведет к цифровому телевидению (цифровое телевидение), GPS, спутниковое радио, беспроводной Интернет и мобильные телефоны в период с 1990-х по 2000-е годы.

Кодирование с дискретным косинусным преобразованием (DCT), сжатие данных, впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году, обеспечил практическую передачу цифровых носителей с форматами сжатия изображения, такими как JPEG (1992), форматы кодирования видео, такие как H.26x (начиная с 1988 г.) и MPEG (с 1993 г.), стандарты кодирования звука, такие как Dolby Digital (1991) и MP3 (1994), и стандарты цифрового ТВ, такие как видео по запросу (VOD) и телевидение высокой четкости (HDTV). Интернет-видео было популяризировано YouTube, онлайн-видеоплатформа, основанная Чадом Херли, Джаведом Каримом и Стивом Ченом в 2005 году, что требует потоковое видео из MPEG-4 AVC (H.264) контент, созданный пользователем из любого места World Wide Web.

Свойства

Преимущество цифровых схем по сравнению аналоговым схемам заключается в том, что сигналы, представленные в цифровом виде, могут передаваться без ухудшения качества, вызванного шумом . Типовой аудиосигнал без ошибок, при условии, что шум, полученный при передаче, недостаточен для идентификации и нулей.

В цифровой системе более быстрого представления сигнала может быть получено использование большего количества двоичных цифр для его представления. Хотя для обработки сигналов требуется больше цифровых схем, каждая цифра обрабатывается одним и тем же оборудованием, что приводит к легко масштабируемой системе. Вой аналоговой системе дополнительное разрешение требует фундаментальных улучшений линейности и шумовых характеристик каждого шага сигнальной цепочки.

. В цифровых системах с компьютерным управлением новые функции должны быть добавлены путем пересмотра программного обеспечения и без изменения оборудования. Часто это можно за пределами завода, обновленное программное обеспечение продукта. Таким образом, ошибки продукта могут быть исправлены после того, как продукт улучшается в руках покупателя.

Хранение информации может быть проще в цифровых системах, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем показывает и извлекать данные без нарушения качества. В аналоговой системе шум от старения и износа плохо показывает хранимую информацию. В цифровой системе, пока общий шум ниже определенного уровня, информация может быть полностью восстановлена. Даже когда присутствует более значительный шум, использование избыточности позволяет восстановить исходные данные при условии, что не происходит слишком много ошибок.

В некоторых цифровых схемах используется больше энергии, чем аналоговые, для выполнения тех же задач, таким образом увеличивает сложность схемы, например включение радиаторов. В портативных системах или системах с батарейным питанием это может ограничивать использование цифровых систем. Например, в сотовых телефонах с батарейным питанием часто используется маломощный аналоговый интерфейс для усиления и настройки радиосигналов от данной станции. Однако базовая станция питается от сети и может использовать очень гибкие, но очень гибкие программные радиомодули. Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используя в новых стандартах сотовой связи.

Многие полезные цифровые системы должны преобразовывать непрерывные аналоговые сигналы в дискретные цифровые сигналы. Это вызывает ошибки квантования. Ошибка квантования может быть уменьшена, если система хранит достаточно цифровых данных для представления с желаемой степенью точности. Теорема выборки Найквиста - Шеннона предоставляет важные рекомендации относительно того, сколько цифровых данных необходимо для точного отображения заданного аналогового сигнала.

В некоторых системах, если одна часть цифровых данных потеряна или неправильно истолкована, значение больших блоков связанных данных может полностью измениться. Например, однобитовая ошибка в аудиоданных, хранящихся непосредственно как линейная импульсная кодовая модуляция, в худшем случае вызывает один щелчок. Вместо этого многие люди используют сброс звука для экономии места на диске и времени, если одна битовая ошибка может вызвать серьезные нарушения.

Из-за эффект обрыва люди могут быть сложно определить, это конкретная система на грани отказа или может ли она выдержать гораздо больше шума, чем выйдет из строя. Хрупкость цифровых технологий можно уменьшить, создавающую цифровую систему, обеспечивающую надежность. Например, в тракт прохождения сигнала можно вставить бит четности или другой метод управления ошибками . Эти схемы помогают системе обнаруживать ошибки, а затем либо исправлять ошибки,, либо запрашивать повторную передачу данных.

Конструкция

A двоичные часы, вручную подключенные к макетным платам

Цифровая схема обычно состоит из небольших электронных схем, называемых логическими вентилями, которые можно использовать комбинационную логику. Каждый логический вентиль предназначен для выполнения функций логической логики при воздействии на логические сигналы. Логический вентиль обычно создается из одного или нескольких электрически управляемых переключателей, обычно транзисторов, но термоэмиссионных клапанов исторически использовались. Выход логического элемента может, в свою очередь, управлять или подавать на другие логические элементы.

Другая форма цифровых схем состоит из справочных таблиц (многие из них продаются как «программируемые логические устройства виды», хотя существуют и другие PLD). Таблицы поиска могут выполнять те же функции, что и машины, основанные на логических вентилях, но их можно легко перепрограммировать без изменений схемы соединений. Это означает, что конструктор часто может исправить ошибки конструкции. Следовательно, в продуктах небольшого объема программируемых логических устройств часто предпочтительным решением. Обычно они разрабатываются инженерами, используя программное обеспечение для электронного проектирования.

Интегральные схемы состоят из нескольких транзисторов на одной кремниевой микросхеме и являются описее дорогостоящим способом создания большого количества взаимосвязанных вентилей. Интегральные схемы обычно соединяются между собой на печатной плате , которая представляет собой плату, которая содержит электрические и соединяет их вместе медными дорожками.

Дизайн

Инженеры используют множество методов, чтобы минимизировать логическую избыточность, чтобы уменьшить сложность схемы. Сниженная сложность снижает количество компонентов и количество ошибок и, следовательно, снижает затраты. Логическая избыточность может быть устранена с помощью хорошо известных методов, таких как диаграммы двоичных решений, логическая алгебра, карты Карно, алгоритм Куайна - Маккласки. и эвристический компьютерный метод. Эти операции обычно выполняются в системе автоматизированного проектирования.

Встроенные с микроконтроллерами и программируемыми логическими контроллерами часто используются для реализации цифровых логики для сложных систем, не требующих оптимальной производительности. Эти системы обычно программируются инженерами-программистами или электриками с использованием релейной логики.

Представления

Представления имеют решающее значение для проектирования цифровых схем инженером. Чтобы выбрать представления, инженеры рассматривают типы цифровых систем.

Классический способ представления цифровых схем - это эквивалентный набор логических вентилей. Каждый логический представлен представлен представленной форме. Фактический набор форм представлен в 1984 году в соответствии со стандартом IEEE / ANSI 91-1984 и в настоящее время широко используется производителями интегральных схем. Другой способ - построить эквивалентную систему электронных ключей (обычно транзисторов ). Это можно представить в виде истинности.

. Большинство цифровых систем делятся на комбинационные и последовательные системы. Комбинационная система всегда дает один и тот же результат при одинаковых входах. Последовательная система - это комбинационная система, в которую некоторые выходы возвращаются как входы. Это заставляет цифровую машину последовательности операций. Простейшей последовательной системой, вероятно, является триггер, механизм, который представляет собой двоичную цифру или «бит ». Последовательные системы часто проектируются как конечные автоматы. Таким образом, инженеры могут спроектировать общее поведение системы и даже протестировать ее в моделировании, не учитывая всех деталей логических функций.

Последовательные системы делятся на две дополнительные подкатегории. «Синхронные» последовательные системы изменяют состояние сразу, когда тактовый сигнал меняет состояние. «Асинхронные» последовательные системы распространяют изменения при изменении входов. Синхронные последовательные системы состоят из хорошо охарактеризованных асинхронных схем, таких как триггеры, которые изменяются только при изменении тактовых импульсов, и которые имеют тщательно спроектированные пределы синхронизации.

Для логического моделирования представления цифровых схем имеют форматы цифровых файлов, которые могут обрабатываться компьютерными программами.

Синхронные системы

4-битный счетчик звонков с использованием триггеров D-типа является примером синхронной логики. Каждое устройство подключается к тактовому сигналу и обновляется вместе.

Обычный способ реализовать синхронный последовательный конечный автомат - разделить его на часть комбинационной логики и набор триггеров, называемых регистром состояний. Регистр состояний представляет состояние в виде двоичного числа. Комбинационная логика создает двоичное представление для следующего состояния. В каждом тактовом цикле регистр состояний фиксирует обратную связь, сгенерированную из предыдущего состояния комбинационной логики, и возвращает ее как неизменный вход в комбинационную часть конечного автомата. Тактовая частота ограничена наиболее трудоемкими логическими вычислениями в комбинационной логике.

Асинхронные системы

Большая часть цифровой логики является синхронной, потому что легче создать и проверить синхронный проект. Однако преимущество асинхронной логики в том, что ее скорость не ограничивается произвольными часами; вместо этого он работает на максимальной скорости своих логических вентилей. Построение асинхронной системы с использованием более быстрых компонентов делает схему быстрее.

Тем не менее, большинству систем необходимо принимать внешние несинхронизированные сигналы в свои синхронные логические схемы. Этот интерфейс по своей сути асинхронен и должен анализироваться как таковой. Примеры широко используемых асинхронных схем включают триггеры синхронизатора, переключатели отбойники и арбитры.

Компоненты асинхронной логики могут быть трудными для разработки, потому что необходимо учитывать все возможные состояния во всех возможных моментах времени. Обычный метод - построить таблицу минимального и максимального времени, в течение которого может существовать каждое такое состояние, а затем настроить схему, чтобы минимизировать количество таких состояний. Разработчикдолжен вызвать схему периодически ждать, пока все ее части войдут в плановое состояние (это называется «самосинхронизация»). Без тщательного проектирования легко случайно создать нестабильную асинхронную логику, то есть реальная электроника будет давать непредсказуемые результаты из-за кумулятивных задержек, вызванных небольшими отклонениями в значениях электронных компонентов.

Системы передачи регистров

Пример простой схемы с переключаемым выходом. Инвертор формирует комбинационную логику в этой схеме, а регистр хранит состояние.

Многие цифровые системы являются машинами потока данных. Обычно они используются с использованием регистрации синхронной передачи регистров, с описанием языков оборудования, таких как VHDL или Verilog.

. В логике передачи регистров, двоичные числа хранятся в группах триггеров, называемых регистрами. Последовательный конечный автомат контролирует, когда каждый регистр принимает новые данные со своего входа. Выходы каждого регистра предоставляют собой связку проводов, называемую шиной , которая передает это число в другие вычисления. Вычисление - это просто часть комбинационной логики. Каждое вычисление также имеет выходную шину, и они могут быть подключены ко входам нескольких регистров. Иногда регистр имеет на входе мультиплексор, чтобы он мог хранить номер с любого из нескольких шин.

Асинхронные системы передачи (например, компьютеры) имеют общее решение. В 1980-х годах некоторые исследователи обнаружили, что все синхронные машины с регистровой передачей можно преобразовать в асинхронные схемы с помощью логики синхронизации «первым пришел - первым обслужен». В этой схеме цифровая машина представлена ​​как набор потоков данных. На каждом шаге потока схема преобразования числа, когда выходные данные этого шага действительны, и указывает следующий этап, когда использовать эти выходы.

Компьютерное проектирование

Intel 80486DX2 микропроцессор

Самая универсальная логическая машина с переносом регистров - это компьютер. По сути, это автоматические двоичные счеты. Блок управления компьютером обычно представляет собой микропрограмму , запускаемую микросеквенсором. Микропрограмма очень похожа на пианино. Каждая запись в таблице или «слово» управляет микропрограммой каждого бита, который управляет компьютером. Затем секвенсор памяти считает, и счетную запись к машине комбинацию логики, которая содержит микропрограмму. Биты микропрограммы управляют арифметико-логическим блоком ,, памятью и другими частями компьютера, включая сам микросеквенсор. «Специализированный компьютер» - это обычно обычный компьютер со специальной управляющей логикой или микропрограммой.

Таким образом, сложная задача разработки средств управления компьютером сводится к более простой задаче набора более простых логических машин.

Почти все компьютеры синхронны. Однако также было создано множество настоящих асинхронных компьютеров. Одним из примеров является ядро ​​Aspida DLX. Другой был предложен ARM Holdings. Преимущества в скорости не материализовались, потому что современные компьютерные разработки уже работают со скоростью своего самого медленного компонента, обычно памяти. Они действительно потребляют немного меньше энергии. Неожиданным преимуществом является то, что асинхронные компьютеры не производят чисто спектрально чистый радиошум, поэтому они используются в некоторых контроллерах базовых станций мобильных телефонов. Они могут быть более безопасными в криптографических приложениях, поскольку их электрические и радиоизлучения труднее декодировать.

Архитектура компьютера

Архитектура компьютера - это специализированная инженерная деятельность, которая пытается упорядочить регистры, вычисления логика, шины и другие части компьютерным образом для каких-то целей. Компьютерные архитекторы применили большое количество изобретательности к компьютерному дизайну, чтобы снизить стоимость, повысить скорость и невосприимчивость к ошибкам программирования компьютеров. Все более распространенной целью является снижение используемой мощности в компьютерной системе с батарейным питанием, такой как мобильный телефон. Многие компьютерные архитекторы проходят длительное обучение в качестве микропрограммистов.

Проблемы проектирования цифровых схем

Цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов. Дизайн должен иметь, что аналоговая природа компонентов не будет доминировать над желаемым цифровым поведением. Цифровые системы должны управлять запасами по шуму и синхронизации, паразитными индуктивностями и емкостями, а также подключениями питания фильтра.

Плохие конструкции имеют такие проблемы, как «сбои», исчезают быстрые импульсы, которые могут запускать одну логику, но не другие, «прерывистые импульсы », которые не достигают допустимого «порогового» напряжения, или неожиданные («недекодированные») комбинации логических состояний.

Кроме того, если синхронизированные цифровые системы взаимодействуют с аналоговыми системами или системами, которые управляются от других часов, цифровая система может быть подвержена риску метастабильности, когда изменение на входе нарушает установленный момент работы защелки цифрового входа. Эта ситуация разрешится самостоятельно, но займет случайное время, и, пока она будет, это может привести к тому, что недействительные ситуации будут распространяться в цифровой системе на короткое время.

Цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов, цифровые схемы вычисляют медленнее, чем аналоговые схемы с низкой точностью, которые используют такое же пространство и мощность. Однако цифровая схема будет выполнять с большей повторяемостью из-за ее высокой помехоустойчивости. С другой стороны, в области высокой степени (например, где требуется 14 или более битов точности) аналоговым схемам требуется гораздо больше мощности и площади, чем цифровым эквивалентам.

Инструменты автоматизированного проектирования

Чтобы сэкономить дорогостоящие инженерные работы, большая часть усилий по проектированию больших логических машин была автоматизирована. Компьютерные программы называются «инструменты проектирования электроники » или просто «EDA».

Простые описания в стиле таблицы истинности часто оптимизируются с помощью EDA, которые автоматически создают сокращенные системы логики или меньшие таблицы поиска, которые по-прежнему дают желаемые выходные данные. Наиболее распространенным примером такого типа программного обеспечения является эвристический минимизатор логики Espresso.

. Большинство практических алгоритмов для оптимизации больших логических систем используют алгебраические манипуляции или схемы двоичных решений, и есть многообещающие эксперименты с генетическими алгоритмами и оптимизацией отжига.

Для автоматизации дорогостоящих инженерных процессов некоторые EDA могут использовать таблицы состояний, описывающие конечные автоматы и показать таблицу истинности или таблицу функций для комбинационной логики конечного автомата. Таблица состояний - это управляющие переходами между ними и выходными сигналами.

Функциональные таблицы таких генерируемых компьютерных автоматов обычно оптимизируются с помощью программного обеспечения для минимизации логики, такого как Minilog.

. Часто реальные логические системы проектируются как серия подсистем -проекты, которые объединяются с помощью «инструментария». Поток инструментов обычно представляет собой «сценарий», который может вызвать инструменты разработки программного обеспечения в правильном порядке.

Инструментальные потоки для больших логических систем, таких как микропроцессоры, могут состоять из тысяч команд и объединить работу сотен инженеров.

Написание и отладка потоков инструментов - это устоявшаяся инженерная специальность в компаниях, производящих цифровые проекты. Поток инструментов обычно подробным компьютерным файлом или набором файлов, которые описывают, как физически построить логику. Часто он состоит из инструкций по рисованию транзисторов и проводов по интегральной схеме или печатной плате.

. Части потоков инструментов «отлаживаются» путем проверки выходов моделируемой логики на ожидаемым входам.. Инструменты тестирования берут компьютерные файлы с набора входных и выходных данных и выделяются несоответствия между модельным поведением и ожидаемым поведением.

Если входные данные считаются правильными, сам проект все равно должен быть проверен на правильность. Некоторые потоки инструментов проверяют проекты, сначала создавая дизайн, затем просматривая проект для обеспечения совместимых входных данных для потока инструментов. Если отсканированные данные совпадают с входными данными, то вероятно, в потоке инструмента не было ошибок.

Функциональной проверкой обычно называют «тестовые деревьями». Векторы функционального тестирования могут быть сохранены и использованы на заводе для проверки правильности работы созданной логики. Однако функциональные тестовые образцы не обнаруживают типичных производственных ошибок. Производственные тесты часто создаются программными инструментами, называемыми «генераторами тестовых шаблонов ». Они генерируют тестовые тесты, исследуя генетики и систематически генерируют тесты для конкретных ошибок. Таким образом, охват неисправностей может приблизиться к 100%, при условии, что проект сделан правильно тестируемым (см. Следующий раздел).

После того, как проект существует, его можно проверить и протестировать, его необходимо переработать, чтобы его можно было изготовить. Современные интегральные схемы имеют характеристики уменьшения длины волны света, используемого для экспонирования фоторезиста. Программное обеспечение для повышения технологичности интерференционные узоры к маскам экспонирования, чтобы устранить разомкнутые цепи и улучшить контраст масок.

Дизайн для тестируемости

Есть несколько причин для тестирования логической схемы. При первой схеме необходимо убедиться, что схема соответствует требуемым функциональным и временным характеристикам. Когда производятся несколько копий правильно спроектированной схемы, важно тестировать каждую копию, чтобы убедиться, что производственный процесс не привнес каких-либо недостатков.

Большая логическая машина (скажем, с более чем сотней логических чисел) может иметь астрономическое количество состояний. Очевидно, что на фабрике тестирования каждого состояния нецелевого состояния, если проверка каждого состояния занимает микросекунду, а состояние больше, чем количество микросекунд момента возникновения Вселенной. Этот нелепо звучащий случай типичен.

Большие логические машины всегда проектируются как сборки меньших логических машин. Чтобы сэкономить время, меньшие подмашины изолированы стационарно установленной, предназначенной для испытания, независимо.

Одна общая схема тестирования, известная как «проектирование сканирования», перемещает тестовые биты последовательно (один за другим) от внешнего оборудования через один или последовательных регистров сдвига, как известные «цепочки сканирования» ». При последовательном сканировании используются только один или два провода для передачи данных, что сводит к минимуму физический размер и стоимость редко используемой логики тестирования.

После того, как все биты тестовых данных установлены, конструкция переконфигурируется для работы в «нормальном режиме» и применяется один или несколько тактовых импульсов для проверки на наличие ошибок (например, застревание на низком уровне или застревание высокий) и зафиксируйте результат теста в тригерах и / или защелках в регистрах сдвига сканирования. Наконец, результат теста смещается к границе блока и сравнивается с прогнозируемым результатом «хорошая машина».

В среде тестирования платы последовательное-параллельное тестирование было формализовано с помощью стандарта под названием «JTAG » (названного в честь «Группы совместных действий по тестированию», которая его создала).

Другая распространенная схема тестирования режим тестирования, который заставляет некоторую часть логической машины перейти в «цикл тестирования». В испытательном цикле обычно проверяются большие независимые части машины.

Компромиссы

Практичность системы цифровой логики определяет несколько чисел: стоимость, надежность, разветвление и скорость. Инженеры исследовали различные электронные устройства, чтобы получить благоприятное сочетание этих качеств.

Стоимость

Стоимость логического элемента имеет решающее значение, в первую очередь потому, что для создания компьютера или другой продвинутой цифровой системы требуется очень много вентилей, и поскольку чем больше вентилей можно использовать, тем больше возможностей и / или респондентом машина может стать. Поскольку основная часть цифрового компьютера представляет собой просто взаимосвязанную сеть логических вентилей, общая стоимость создания компьютера сильно коррелирует с ценой на логический вентиль. В 1930-х годах самые ранние цифровые логические системы были построены из телефонных реле, поскольку они были недорогими и относительно надежными. После этого инженеры-электрики всегда использовали самые дешевые доступные электронные переключатели, которые все еще могли соответствовать требованиям.

Первые интегральные схемы были счастливой случайностью. Они были сконструированы не для экономии денег, а для экономии веса и позволяли компьютеру управления Apollo управлять инерциальной системой наведения космического корабля. Первые логические вентили на интегральных схемах стоил почти 50 долларов (в долларах 1960 года, когда инженер зарабатывал 10 000 долларов в год). К большому удивлению многих участников, к тому времени начали схемы массового производства, они стали наименования дорогим методом построения цифровой логики. Усовершенствования в этой технологии привести к дальнейшему снижению стоимости.

С появлением интегральных схем уменьшение абсолютного количества микросхем стало еще одним способом экономии затрат. Задача дизайнера - не просто создать простейшую схему, но и вести обратный отсчет компонентов. Иногда это приводит к более сложным конструкциям по сравнению с использованием цифровой логики, но тем не менее снижает количество компонентов, размер платы и даже энергопотребление. Основным двигателем уменьшения количества компонентов на печатных компонентах является снижение количества производственных дефектов и повышение надежности, поскольку каждое из них является одним из лучших компонентов.

Например, в некоторых логических семействах вентили И-НЕ являются простейшими в изготовлении цифровыми вентилями. Все остальные логические операции могут быть реализованы шлюзами NAND. Если для схемы уже требуется один вентиль И-НЕ, в одном кристалле обычно имеются четыре логических элемента И-НЕ, оставшиеся вентили можно использовать для реализации других логических операций, таких как логический и. Это может потребоваться в этой отдельной микросхеме.

Надежность

«Надежность» логического элемента это его среднее время наработки на отказ (MTBF). Цифровые машины часто имеют миллионы логических вентилей. Кроме многих цифровых машин «оптимизированы» для снижения их стоимости. В результате часто выход из строя одного логического элемента приводит к прекращению работы цифрового машины. Можно спроектировать, которые будут более надежными, используя любую избыточную систему, которая не будет работать со сбоями единственного вентиля (или даже любых двух, трех или четырех ворот), но это обязательно влечет за собой использование большего количества компонентов, что увеличивает финансовые затраты, а также обычно увеличивает вес машины и может увеличить потребляемую мощность.

Цифровые машины впервые стали полезными, когда среднее время безотказной работы коммутатора превысило несколько сотен часов. Несмотря на это, у многих из этих машин были сложные, хорошо отрепетированные процедуры ремонта, потому что они не работали в течение нескольких часов, потому что перегорела лампа или моль застряла в реле. Современные транзисторные логические вентили на интегральных схемах имеют среднее время безотказной работы более 82 миллиардов часов (8,2 · 10 часов) и находятся в них, потому что у них очень много логических вентилей.

Fanout

Fanout описывает, сколько логических входов может управляться одним логическим выходом без превышения номинального электрического тока выходов затвора. Минимальное практическое разветвление - около пяти. Современные электронные логические элементы, в которых используются транзисторы CMOS для переключателей, имеют разветвления около пятидесяти, а иногда могут быть намного выше.

Скорость

«Скорость переключения» описывает, сколько раз в секунду инвертор (электронное представление функции «логическое не») может переключаться с истины на ложь и обратно. Более быстрая логика позволяет выполнять больше операций за меньшее время. Цифровой логика впервые стала полезной, когда скорость переключения превысила 50 Гц, потому что это было быстрее, чем команда людей, работающих с механическими вычислителями. Современная электронная цифровая логика обычно переключается на част 5 ГГц (5 · 10 Гц), а некоторые лабораторные системы переключаются на част более 1 ТГц (1 · 10 Гц).

Семейства логики

Разработка началась с реле. Релейная логика была относительно недорогой и надежной, но медленной. Иногда происходил механический отказ. Количество разветвлений обычно составляло около 10, что ограничивалось сопротивлением катушек и возникновением дуги на контактах из-за высокого напряжения.

Позже стали шаблон электронные лампы. Они были очень быстрыми, но выделяли тепло и были ненадежными, потому что нити перегорали. Фэнауты обычно были 5... 7, ограниченные нагревом от тока ламп. В 1950-х годах были разработаны специальные «компьютерные лампы» с нитями, в которых не использовались летучие элементы, такие как кремний. Они работали тысяч часов.

Первое семейство полупроводниковой логики было резисторно-транзисторной логикой. Он был в тысячу раз надежнее ламп, работал с меньшим охлаждением и потреблял меньше энергии, но имел очень низкий вход вентилятора 3. Диодно-транзисторная логика улучшила разветвление до около 7, и уменьшил мощность. В некоторых источниках конструкций DTL использовалось два источника питания с чередующимися слоями транзисторов NPN и PNP для увеличения разветвления.

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) большим улучшением по сравнению с ними. В ранних устройствах разветвление увеличивалось до 10, более поздних вариантов надежно достигало 20. TTL также был быстрым, с некоторыми вариациями, достигающими времени переключения до 20 нс. TTL все еще используется в некоторых проектах.

Эмиттерная логика работает очень быстро, но потребляет много энергии. Он широко использовался для высокопроизводительных компьютеров, состоящих из множества компонентов среднего размера (таких как Illiac IV ).

Безусловно, самые распространенные цифровые интегральные схемы, построенные сегодня, используют логику CMOS, которая работает быстро, высокая плотность схемы и низкое энергопотребление на затвор. Это используется даже в больших и быстрых компьютерах, таких как IBM System z.

. Последние разработки

В 2009 году исследователи обнаружили, что мемристоры могут реализовывать хранилище логических состояний (аналогично триггеру, импликации и логической инверсии ), имеет полное логическое семейство с очень малым пространством и использует знакомые полупроводниковые процессы CMOS.

Открытие сверхпроводимости включает технологию быстрых квантовых одиночных потоков (RSFQ), в которой вместо транзисторов используются джозефсоновские переходы. Совсем недавно были предприняты попытки создать чисто оптические вычислительные системы, способные обрабатывать цифровую информацию с использованием нелинейных оптических элементов.

См. Также

Примечания

Ссылки

Дополнительная литература

  • Дуглас Левин, Логический дизайн коммутационных цепей, Нельсон, 1974.
  • Р. Х. Кац, Contemporary Logic Design, The Benjamin / Cummings Publishing Company, 1994.
  • П. К. Лала, Практическое проектирование и тестирование цифровых логики, Прентис Холл, 1996.
  • Ю. К. Чан, С. Ю. Лим, Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма B, Vol. 1, 269–290, 2008, «Генерация сигналов радара с синтезированной апертурой (SAR), факультет инженерии и технологий, Мультимедийный университет, Джалан Айер Керох Лама, Букит Беруанг, Мелака 75450, Малайзия.

>Внешние ссылки

Wikimedia Commons содержит материалы, относящиеся к Цифровой электронике.
Последняя правка сделана 2021-05-17 05:57:57
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте