Integrované obvody Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody
Integrovaný obvod zkratka: IO anglický termín: integrated circuit = IC Co to je? elekrotechnická součástka na malé ploše čipu (křemíkového plátku) velikosti řádově několik cm 2 je integrováno (soustředěno) velké množství aktivních i pasivních součástek; spolu tvoří elektrický obvod (vykonávají společnou funkci) zejména tranzistorů, diod, rezistorů kondenzátory a indukčnosti se realizují obtížně
počet součástek může být v řádu od desítek až po několik miliónů čip je zapouzdřen v plastovém nebo keramickém pouzdru, na okrajích pouzdra jsou vyvedeny nožičky (piny) cíl návrhářů: zvyšovat počet součástek na jednotkovou plochu čipu (zvyšovat stupeň integrace)
stupeň integrace se udává: počtem tranzistorů počtem tzv. ekvivalentních hradel kolik běžných diskrétních hradel bychom potřebovali k realizaci daného obvodu stupeň integrace závisí na zvládnuté technologii při návrhu IO návrháři umísťují součástky a vodivé cesty do rastru dnes typicky 45 nm součástky a cesty jsou na čipu ve více vrstvách více úrovní metalizace
Ukázka integrovaného obvodu
Dělení integrovaných obvodů dělení z hlediska technologie výroby hybridní integrované obvody historické, dnes se již nepoužívají miniaturní plošný spoj je osazen miniaturními diskrétními součástkami monolitické integrované obvody obvod je vytvořen z monolitického bloku krystalu křemíku
Pouzdra integrovaných obvodů na použitém pouzdru závisejí tepelné (a tím i výkonové) vlastnosti integrovaného obvodu a cena plastové pouzdro je výrobně levnější, ale hůře odvádí teplo keramické pouzdro je dražší, ale lépe odvádí teplo příkon obvodů technologie CMOS závisí kvadraticky na frekvenci hodinového signálu
Používaná pouzdra Klasická pouzdra se umísťují do patic nebo se pájejí do plošek s otvorem DIP (DIL) - Dual in Line Package vývody po obou stranách pouzdra
Pouzdro DIP
Povrchová montáž SMT Surface Montage Technology technologie povrchové montáže princip: součástky SMD (Surface Monage Device) jsou připájeny (nebo přilepeny vodivým lepidlem) na plošky bez otvorů
Pouzdro SOP
Dělení obvodů podle stupně integrace obvody malé integrace small scale integration - SSI obvody střední integrace middle scale integration - MSI obvody velké integrace large scale integration - LSI obvody velmi velké integrace very large scale integration - VLSI
Poznámky: dnes se začíná hovořit o obvodech ULSI Ultra Large Scale Integration hranice mezi kategoriemi a názvy kategorií se mohou lišit v různé literatuře
Obvody malé integrace SSI na ploše čipu jednotky, max. desítky hradel hlavní období nasazení: konec 60. let, 70. léta stále se vyrábějí (cena za obvod do 20 Kč) dnešní oblast použití pomocné obvody k obvodům vyšší integrace (zejména k jednočipovým mikropočítačům) v tzv. embeded aplikacích (dálkové ovladače, ovládací panely spotřební elektroniky do této kategorie patří nejstarší obvody z řady 74xx a CMOS 4000, jako 7400, 7402, 7420, 7474, 74125
Některé obvody SSI
Příklady aplikace obvodu SSI: rozsvěcování výkonové LED pin procesoru není schopen dodat dostatečný proud použijeme pro napájení LED obvod 74125, což je výkonový třístavový budič, a zapojíme jej mezi pin procesoru (obvod VLSI) a diodu. dlouhé vodiče sběrnice na desce plošných spojů použijeme k vybuzení obvodu 74245 (8x třístavový výkonový obousměrný budič sběrnice)
Obvody střední integrace MSI na ploše čipu desítky až stovky hradel multiplexory, demultiplexory, komparátory, vícebitové klopné obvody (registry), posuvné registry, čítače, dekodéry a jednoduché aritmetické obvody (např. čtyřbitová sčítačka) aj. na zásuvné kartě ISA do počítače PC z počátku 90. let nalezneme ještě asi polovinu obvodů MSI dnešní uplatnění: stejné jako u obvodů malé integrace doplňkové obvody
Některé obvody MSI
Dekodér pro 7-segmentovou jednotku (7449) b0 b1 b2 b3 Dekodér A B C D E F G
Pravdivostní tabulka dekodéru segment svítí, je-li na jeho vstupu log. 0 (jednotka konstruována se společnou anodou) b 3 b 2 b 1 b 0 A B C D E F G 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0
Příklad aplikace obvodu MSI: zobrazení cifer na dvou sedmisegment. jednotkách použijeme posuvné registry
Multiplexor významný kombinační obvod z kategorie MSI používá se jako stavební blok při návrhu obvodů VLSI (procesorů) zkratka: MPX, MUX česky: selektor dat funkce: vybírá na výstup o jeden z n datových vstupů i 0 až i n-1 počet vstupů je roven mocnině dvou výběr se určuje řídicími signály s
Příklad: schématická značka 4-vstupového MPX pravdivostní tabulka
rovnice a vnitřní schéma
Příklad: obvod 74151 osmivstupový multiplexor Použití výběr zdroje dat pro aritmetickou jednotku počítače
Demultiplexor/dekodér obvod s opačnou funkcí než multiplexor funkce: vstup i je kopírován na jeden z n výstupů o 0 až o n-1 počet výstupů je roven určité mocnině dvou, výběr výstupu se určuje řídicími signály ostatní nevybrané výstupy mají zpravidla hodnotu log. 0
Příklad: obvod 74138 dekodér s osmi výstupy Použití: dekodér adresy
Pravdivostní tabulka demultiplexoru:
Využití demultiplexoru jako dekodéru adresy D0-D7 vstupní data povolení zápisu 8 R0 R1 A0 A1 S0 S1 E0 E1 E2 E3 demultiplexor/dekodér R2 R3
Obvody velké integrace a velmi velké integrace LSI - tisíce až statisíce hradel VLSI až milióny hradel (tranzistorů) první procesor Pentium měl asi 5 mil. tranzistorů na čipu obvod Virtex 7 od firmy XILINX má 6,8 miliard tranzistorů na čipu obvody VLSI mohou být univerzální procesory speciální řadiče graf. karet, řídicí obvody do letadel vyrobené na přání zákazníka
plně zákaznické Dělení obvodů VLSI zákazník si navrhne obvod zcela sám, výrobce jej vyrobí (velmi drahé) polozákaznické zákazník používá při návrhu obvodu prefabrikované bloky ASIC aplikačně specifické integrované obvody speciální: programovatelné obvody zákazníkem
Programovatelné obvody univerzálníčíslicové obvody, funkci určuje zákazník obecné označení PLD Programmable Logic Devices obsahují základní logickéčleny, vodiče a mezi nimi programovatelné propojovací prvky (spínací tranzistory) princip: zákazník ve speciálním software nakreslí schéma, sw jej zpracuje (syntéza), výsledkem jsou konfigurační data pro obvod
Jazyky pro popis digit. obvodů dnes už návrháři schéma obvodů nekreslí zdlouhavé, pomalé popisují zapojení a chování číslicových obvodů ve speciálních jazycích pro popis hardware software (syntezátor) provede minimalizaci funkcí, optimalizaci výstupem jsou konfigurační data pro programovatelný obvod nebo data pro výrobu čipu (obrázek spoje čipu) návrhář digitálních obvodů je spíš dnes programátorem
Jazyky pro popis digit. obvodů Dva nejpoužívanější jazyky: VHDL VHSIC Hardware Description Language odvozen od jazyka ADA a Pascal rozšířen zejména v Evropě Verilog odvozen od jazyka C rozšířen v USA
Popis dekodéru ve VHDL nejprve popíšeme obvod jako krabičku se vstupy a výstupy entity dekoder is Port ( b0 : in std_logic; b1 : in std_logic; b2 : in std_logic; b3 : in std_logic; A : out std_logic; B : out std_logic; C : out std_logic; D : out std_logic; E : out std_logic; F : out std_logic; G : out std_logic ); end dekoder;
Popis dekodéru ve VHDL pak popíšeme chování rovnicemi architecture Behavioral of dekoder is begin... C <= (not b0 and b1 and not b2); E <= b0 or (not b1 and b2);... end Behavioral;
Popis dekodéru ve VHDL nemusíme rovnice vytvářet, stačí přepsat tabulku, rovnice vytvoří software sám
Popis dekodéru ve VHDL architecture Behavioral of segmentovka is signal vstup: std_logic_vector(3 downto 0); signal vystup: std_logic_vector(6 downto 0); begin vstup <= (b3,b2,b1,b0); with vstup select vystup <= "0000001" when "0000", "1001111" when "0001", "0010010" when "0010", "0000110" when "0011", "1001100" when "0100", "0100100" when "0101", "0100000" when "0110", "0001111" when "0111", "0000000" when "1000", "0000100" when "1001", "XXXXXXX" when others; A <= vystup(6); B <= vystup(5); C <= vystup(4); D <= vystup(3); E <= vystup(2); F <= vystup(1); G <= vystup(0); end Behavioral;