Войти
В компьютерной инженерии семейство логических схем может относиться к одному из двух связанных понятий. Семейство монолитных цифровых интегральных схем устройств представляет собой группу электронных логических вентилей, созданных с использованием одной из нескольких различных конструкций, обычно с совместимыми логическими уровнями и источником питания. характеристики в семье. Многие логические семейства были созданы в виде отдельных компонентов, каждый из которых содержал одну или несколько связанных основных логических функций, которые можно было использовать в качестве «строительных блоков» для создания систем или в качестве так называемого «клея» для соединения более сложных интегральных схем. «Семейство логики» может также относиться к набору методов, используемых для реализации логики в VLSI интегральных схемах, таких как центральные процессоры, память или другие сложные функции.. Некоторые из таких семейств логики используют статические методы для минимизации сложности проектирования. Другие такие семейства логических схем, такие как логика домино, используют тактовые динамические методы для минимизации размера, энергопотребления и задержки.
До широкого распространения интегральных схем использовались различные логические системы на полупроводниковых и электронных лампах, но они никогда не были так стандартизированы и совместимы, как устройства на интегральных схемах. Наиболее распространенным семейством логических схем в современных полупроводниковых устройствах является логика металл-оксид-полупроводник (MOS) из-за низкого энергопотребления, малых размеров транзисторов и большого плотность транзисторов.
Список упакованных строительных блоков Семейства логики можно разделить на категории, перечисленные здесь в r Примерно хронологический порядок введения вместе с их обычными сокращениями:
Семейства (RTL, DTL и ECL) были получены из логических схем, используемых в ранних компьютерах, изначально реализованных с использованием дискретных компонентов. Одним из примеров является семейство логических строительных блоков Philips NORBIT.
Логические семейства PMOS и IL использовались в течение относительно коротких периодов времени, в основном в специализированных устройствах для крупномасштабной интеграции схем, и обычно считаются устаревшими. Например, первые цифровые часы или электронные калькуляторы могли использовать одно или несколько устройств PMOS, чтобы обеспечить большую часть логики для готового продукта. Микропроцессоры F14 CADC, Intel 4004, Intel 4040 и Intel 8008 и их вспомогательные микросхемы были PMOS.
Из этих семейств только ECL, TTL, NMOS, CMOS и BiCMOS в настоящее время все еще широко используются. ECL используется для очень высокоскоростных приложений из-за его цены и требований к мощности, в то время как логика NMOS в основном используется в схемах VLSI, таких как процессоры и микросхемы памяти, которые выходят за рамки Объем этой статьи. Современные микросхемы логических вентилей, являющиеся «строительными блоками», основаны на семействах ECL, TTL, CMOS и BiCMOS.
В Atanasoff-Berry Computer используются логические схемы на электронных лампах с резисторной связью, аналогичные RTL. Несколько ранних транзисторных компьютеров (например, IBM 1620, 1959) использовали RTL, где он был реализован с использованием дискретных компонентов.
Семейство простых резисторно-транзисторных логических интегральных схем было разработано в Fairchild Semiconductor для управляющего компьютера Apollo в 1962 году. Texas Instruments вскоре представила собственное семейство RTL. Вариант со встроенными конденсаторами, RCTL, имел повышенную скорость, но меньшую помехоустойчивость, чем RTL. Это было сделано Texas Instruments как их серия "51XX".
Диодная логика использовалась с электронными лампами в самых первых электронных компьютерах 1940-х годов, включая ENIAC. Диодно-транзисторная логика (DTL) использовалась в IBM 608, который был первым полностью транзисторным компьютером. Ранние транзисторные компьютеры были реализованы с использованием дискретных транзисторов, резисторов, диодов и конденсаторов.
Первое семейство интегральных схем на основе диодно-транзисторной логики было представлено Signetics в 1962 году. DTL также производились Fairchild и Westinghouse. Texas Instruments для D-37C Minuteman II Guidance Computer в 1962 году разработала семейство диодных логических и диодно-транзисторных логических интегральных схем, но эти устройства не были доступны для общественности.
Вариант DTL, называемый «высокопороговой логикой», включает стабилитроны для создания большого смещения между уровнями напряжения логической 1 и логического 0. Эти устройства обычно работали от источника питания 15 В и использовались в промышленных системах управления, где высокий дифференциал был предназначен для минимизации влияния шума.
MOS P-типа (PMOS) Логика использует p-канал MOSFET для реализации логических вентилей и других цифровых схем. Логика MOS N-типа (NMOS) использует n-канальные MOSFET для реализации логических вентилей и других цифровых схем.
Для устройств с равным током возбуждения полевые МОП-транзисторы с n-каналом могут быть меньше, чем МОП-транзисторы с p-каналом, из-за того, что носители заряда с каналом p-типа (дыр ) имеют более низкую подвижность, чем носители заряда с n-каналом (электроны ), и изготовление только одного типа полевого МОП-транзистора на кремниевой подложке дешевле и технически проще. Это были руководящие принципы при разработке логики NMOS, в которой используются исключительно n-канальные полевые МОП-транзисторы. Однако, если пренебречь током утечки, в отличие от логики CMOS, логика NMOS потребляет энергию, даже если переключение не происходит.
Мохамед М. Аталла и Давон Канг, после того, как они изобрели полевой МОП-транзистор, изготовили как pMOS, так и nMOS устройства с 20 мкм техпроцессом 1960. Их оригинальные устройства MOSFET имели длину затвора 20 мкм и толщину оксида затвора 100 нм. Однако устройства nMOS были непрактичными, и только тип pMOS был практическими рабочими устройствами. Несколько лет спустя был разработан более практичный процесс NMOS. Первоначально NMOS была быстрее, чем CMOS, поэтому в 1970-х годах NMOS более широко использовалась в компьютерах. С развитием технологий логика CMOS вытеснила логику NMOS в середине 1980-х годов и стала предпочтительным процессом для цифровых микросхем.
Семейство ECL, ECL, также известное как логика текущего режима (CML), было изобретено IBM как логика управления током для использования в транзисторном компьютере IBM 7030 Stretch, где он был реализован с использованием дискретных компонентов.
Первое семейство логики ECL, доступное в интегральных схемах, было представлено Motorola как MECL в 1962 году.
Первое семейство интегральных схем транзисторно-транзисторной логики было представлено компанией Sylvania как Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL) в 1963 году. Texas Instruments представила семейство TTL 7400 series в 1964 году. Транзисторно-транзисторная логика использует биполярные транзисторы для формирования своих интегральных схем. TTL значительно изменился с годами, более новые версии заменяют старые типы.
Поскольку транзисторы стандартного затвора TTL являются переключателями с насыщением, время хранения неосновных несущих в каждом переходе ограничивает скорость переключения устройства. Варианты базовой конструкции TTL предназначены для уменьшения этих эффектов и улучшения скорости, энергопотребления или того и другого.
Немецкий физик Вальтер Х. Шоттки сформулировал теорию, предсказывающую эффект Шоттки, который привел к диоду Шоттки и более поздние транзисторы Шоттки. При таком же рассеивании мощности транзисторы Шоттки имеют более высокую скорость переключения, чем обычные транзисторы, потому что диод Шоттки предотвращает насыщение транзистора и накопление заряда; см. зажим Бейкера. Затворы, построенные на транзисторах Шоттки, потребляют больше энергии, чем обычный TTL, и переключаются быстрее. В с низким энергопотреблением Шоттки (LS) значения внутреннего сопротивления были увеличены, чтобы снизить энергопотребление и увеличить скорость переключения по сравнению с исходной версией. Введение Advanced Low-Power Schottky (ALS) еще больше увеличило скорость и снизило энергопотребление. Также было представлено семейство более быстрых логических схем под названием FAST (Fairchild Advanced Schottky TTL) (Schottky) (F), которые были быстрее, чем обычные Schottky TTL.
Логические вентили CMOS используют дополнительные устройства N-канала режима улучшения и P-канала полевого транзистора. Поскольку в начальных устройствах использовались металлические вентили с изоляцией из оксида, они назывались CMOS (дополнительная логика металл-оксид-полупроводник). В отличие от TTL, CMOS почти не потребляет питание в статическом состоянии (то есть, когда входы не меняются). Затвор CMOS не потребляет никакого тока, кроме утечки, когда он находится в устойчивом состоянии 1 или 0. Когда затвор переключается в состояние, от источника питания берется ток для зарядки емкости на выходе затвора. Это означает, что потребление тока КМОП-устройствами увеличивается с увеличением скорости переключения (обычно регулируется тактовой частотой).
Первое семейство логических интегральных схем КМОП было представлено RCA как CD4000 COS / MOS, серия 4000 в 1968 году. Изначально логика КМОП была медленнее, чем LS -TTL. Однако, поскольку логические пороги CMOS были пропорциональны напряжению источника питания, CMOS-устройства были хорошо адаптированы к системам с батарейным питанием и простыми источниками питания. КМОП-вентили также могут выдерживать гораздо более широкие диапазоны напряжений, чем вентили ТТЛ, потому что логические пороги (приблизительно) пропорциональны напряжению источника питания, а не фиксированным уровням, требуемым для биполярных схем.
Требуемая площадь кремния для реализации таких цифровых функций CMOS быстро сократилась. Технология VLSI, объединяющая миллионы базовых логических операций на одном кристалле, почти исключительно использует CMOS. Чрезвычайно малая емкость внутрикристальной разводки привела к увеличению производительности на несколько порядков. Тактовые частоты на кристалле, достигающие 4 ГГц, стали обычным явлением, что примерно в 1000 раз быстрее, чем технология к 1970 году.
КМОП-микросхемы часто работают с более широким диапазоном напряжения источника питания, чем другие логические семейства. Ранние ИС TTL требовали источника питания напряжения 5 В, но ранние КМОП могли использовать от 3 до 15 В. Снижение напряжения питания уменьшает заряд, накопленный на любых емкостях, и, следовательно, снижает энергию, необходимую для логического перехода. Сниженная энергия означает меньшее рассеивание тепла. Энергия, накопленная в емкости C и изменяющаяся в V вольт, составляет ½ CV. При понижении напряжения питания с 5 В до 3,3 В коммутируемая мощность была снижена почти на 60 процентов (рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату напряжения питания). Многие материнские платы имеют модуль регулятора напряжения для обеспечения еще более низких напряжений питания, необходимых для многих процессоров.
Из-за несовместимости микросхем серии CD4000 с предыдущим семейством TTL появился новый стандарт, который объединил лучшее из семейства TTL с преимуществами семейства CD4000. Он был известен как 74HC (который использовал источники питания от 3,3 В до 5 В (и использовал логические уровни относительно источника питания)), а также с устройствами, которые использовали источники питания 5 В и уровни логики TTL .
Для соединения любых двух логических семейств часто требовались специальные методы, такие как дополнительные подтягивающие резисторы или специализированные интерфейсные схемы, поскольку в логических семействах могут использоваться разные уровни напряжения для представления состояний 1 и 0 и могут иметь другие требования к интерфейсу, удовлетворяемые только в рамках семейства логики.
Уровни логики TTL отличаются от уровней CMOS - обычно выход TTL не поднимается достаточно высоко, чтобы его можно было надежно распознать как логическую 1 входом CMOS. Эта проблема была решена изобретением семейства устройств 74HCT, использующих технологию CMOS, но с логическими уровнями входа TTL. Эти устройства работают только с источником питания 5 В. Они образуют замену TTL, хотя HCT медленнее, чем исходный TTL (логика HC имеет примерно такую же скорость, как и исходный TTL).
Другие семейства КМОП-схем в интегральных схемах включают логику переключателя напряжения каскадом (CVSL) и логику проходного транзистора (PTL) разного рода. Они обычно используются «на кристалле» и не поставляются в качестве стандартных интегральных схем среднего или малого размера.
Одним из основных улучшений было объединение входов CMOS и драйверов TTL для формирования логических устройств нового типа, называемых логикой BiCMOS, из которых логические семейства LVT и ALVT являются наиболее важными. Семейство BiCMOS состоит из множества членов, включая и.
С конкуренцией на рынке логики HC и HCT и логики LS-TTL стало ясно, что необходимы дальнейшие улучшения для создания идеального логического устройства, сочетающего высокую скорость с низким энергопотреблением. рассеянность и совместимость со старыми логическими семействами. Появился целый ряд новых семейств, использующих технологию CMOS. Краткий список наиболее важных обозначений семейств этих новых устройств включает:
Есть много других, включая, и (LVCMOS ).
Интегрированная логика инжекции (IIL или IL) использует биполярные транзисторы в устройстве управления током для реализации логических функций. Он использовался в некоторых интегральных схемах, но в настоящее время считается устаревшим.
Следующие семейства логических схем могли бы использоваться для построения систем из функциональных блоков, таких как в качестве триггеров, счетчиков и вентилей, или же они могли бы использоваться в качестве «связующей» логики для соединения очень крупномасштабных интеграционных устройств, таких как память и процессоры. Не показаны некоторые ранние малоизвестные семейства логических схем начала 1960-х годов, такие как DCTL (транзисторная логика с прямой связью), которая не стала широко доступной.
Задержка распространения - это время, необходимое логическому элементу И-НЕ с двумя входами для получения результата после изменения состояния на его входах. Скорость переключения представляет собой максимальную скорость, с которой может работать триггер JK. Мощность на вентиль рассчитана на отдельный вентиль И-НЕ с 2 входами; обычно на пакет ИС приходится более одного затвора. Значения очень типичны и могут незначительно отличаться в зависимости от условий применения, производителя, температуры и конкретного типа логической схемы. Год выпуска - это когда по крайней мере некоторые устройства семейства были доступны в большом количестве для гражданского использования. Некоторые военные приложения появились раньше, чем в гражданских целях.
| Семейство | Описание | Задержка распространения (нс) | Скорость переключения (МГц) | Мощность на затвор при 1 МГц (мВт) | Типовое напряжение питания В (диапазон) | Год выпуска | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| RTL | Резисторно-транзисторная логика | 500 | 4 | 10 | 3.3 | 1963 | первый ЦП, построенный на интегральных схемах (компьютер управления Apollo ), использовал RTL. |
| DTL | Диодно-транзисторная логика | 25 | 10 | 5 | 1962 | Представленная Signetics линейка Fairchild 930 стала отраслевым стандартом в 1964 году | |
| PMOS | MEM 1000 | 300 | 1 | 9 | -27 и -13 | 1967 | Представлено General Instrument |
| CMOS | AC / ACT | 3 | 125 | 0,5 | 3,3 или 5 (2-6 или 4,5-5,5) | 1985 | ACT имеет уровни совместимости TTL |
| CMOS | HC / HCT | 9 | 50 | 0,5 | 5 (2-6 или 4,5-5,5) | 1982 | HCT имеет Уровни TTL-совместимости |
| CMOS | 4000B / 74C | 30 | 5 | 1,2 | 10V (3-18) | 1970 | Приблизительно половина скорости и мощность при 5 В |
| TTL | Исходная серия | 10 | 25 | 10 | 5 (4.75-5.25) | 1964 | Несколько производителей |
| TTL | L | 33 | 3 | 1 | 5 (4.75-5.25) | 1964 | Низкое энергопотребление |
| TTL | H | 6 | 43 | 22 | 5 (4,75-5,25) | 1964 | Высокая скорость |
| TTL | S | 3 | 100 | 19 | 5 (4.75-5.25) | 1969 | высокая скорость Шоттки |
| TTL | LS | 10 | 40 | 2 | 5 (4.75-5.25) | 1976 | Низкое энергопотребление, высокая скорость Шоттки |
| TTL | ALS | 4 | 50 | 1,3 | 5 (4,5-5,5) | 1976 | Advanced Low power Schottky |
| TTL | F | 3,5 | 100 | 5,4 | 5 (4,75-5,25) | 1979 | Быстро |
| TTL | AS | 2 | 105 | 8 | 5 (4,5-5,5) | 1980 | Advanced Schottky |
| TTL | G | 1,5 | 1125 (1,125 ГГц) | 1,65 - 3,6 | 2004 | Логика серии 7400 для первого ГГц | |
| ECL | ECL III | 1 | 500 | 60 | -5,2 (-5,19 - -5,21) | 1968 | Улучшенный ECL |
| ECL | MECL I | 8 | 31 | -5.2 | 1962 | первая коммерчески производимая интегральная логическая схема | |
| ECL | ECL 10K | 2 | 125 | 25 | -5,2 ( -5,19 - -5,21) | 1971 | Motorola |
| ECL | ECL 100K | 0,75 | 350 | 40 | -4,5 (-4,2 - -5,2) | 1981 | |
| ECL | ECL 100KH | 1 | 250 | 25 | -5,2 (-4,9 - -5,5) | 1981 |
При разработке больших однокристальных специализированных интегральных схем (ASIC) и ЦП в основном используются несколько методов и стилей проектирования, а не общие логические семейства, предназначенные для использования в многокристальных приложениях.
Эти стили дизайна обычно можно разделить на две основные категории: статические методы и динамические методы с тактовой частотой. (См. статическая и динамическая логика для обсуждения преимуществ и недостатков каждой категории).
