Свойства больших интегральных схем

Программируемые большие интегральные схемы

Успехи интегральной технологии привели к появлению больших интегральных схем с плотностью размещения компонентов до десятков и сотен тысяч транзисторов на одном кристалле. Например, в кристалле отечественного микропроцессора серии К 1801 размещено до 30 000 транзисторов. Следует отметить, что применение БИС существенно влияет на принципы построения цифровых систем, их архитектуру, способы обработки информации, лежащие в основе этих систем.

Реализация в заказной БИС специализированных логических устройств с «жесткой» структурой, которые характеризуются сложностью, неоднородностью, связана со значительными трудностями и большими затратами, определяющими себестоимость отдельного образца, на которую влияет объем выпускаемой партии.

Степень интеграции повышается в настоящее время огромными темпами, плотность БИС с каждым годом удваивается, следовательно, отношение объема выпуска заказных БИС, предназначенных для реализации конкретных логических схем, к числу типов БИС с увеличением степени интеграции уменьшается. Заказные БИС в большинстве случаев невыгодны для их изготовителя и заказчика — разработчика цифровых систем, так как любая новая логическая схема потребует создания дорогостоящей узкоспециализированной БИС. Выход из создавшейся ситуации — в новом подходе к проектированию цифровых систем, в основе которого лежит использование свойства программируемости на уровне логического элемента.

Ремонт ноутбука, который создан на современных, более совершенных компонентах, несоизмеримо более сложен, чем ремонт любой электронной техники на основе интегральных схем тридцатилетней давности.

Различают БИС, обладающие свойством программируемости на этапе изготовления, и программируемые в процессе эксплуатации. К первому подклассу относятся так называемые полузаказные интегральные схемы— незавершенная логика. Второй подкласс подразделяется на БИС, однократно программируемые заказчиком или пользователем,— программируемые логические матрицы различных разновидностей и БИС с многократным программированием — управляемые логические матрицы, микропроцессоры и микро-ЭВМ.

Незавершенные логические матрицы

Незавершенные логические матрицы представляют собой интегральные схемы, состоящие из однотипных групп компонентов — резисторов, транзисторов, емкостей и проводников. В соответствии с логической схемой заказчика с помощью автоматизированной системы проектирования выполняется трассировка соединений как между компонентами внутри однотипной группы, так и между самими группами. Завершение логической матрицы производится путем нанесения слоев металлизации. Преимущество такого подхода заключается в том, что компоненты в каждой группе могут образовывать как логический элемент, так и линейную схему — операционный усилитель, триггер Шмидта, генератор.

Таким образом, в незавершенной матрице может быть реализована не только логическая схема — часть какого-либо цифрового устройства системы, а и его электронное обрамление: линейные усилители, формирователи, генераторы. Применение незавершенных матриц позволяет решить вопросы комплексной интеграции при создании технических средств цифровой вычислительной техники (ЦВТ), т. е. создания всех узлов и блоков цифровых систем на единой технологической базе и в едином технологическом цикле.

Стоимость разработки кристалла незавершенной матрицы значительно ниже заказной БИС за счет большого объема выпуска полуфабрикатов — незавершенных логических матриц, а время завершения исчисляется неделями.

Еще одним преимуществом незавершенной логики является то, что она охватывает широкий спектр технологий от МОП до ЭСЛ и позволяет заказчику выбрать необходимую технологию в зависимости от требуемого быстродействия и сложности проектируемой схемы. Недостатками незавершенных схем являются относительно невысокая плотность (до нескольких тысяч активных компонентов в одном кристалле) и высокая стоимость по сравнению с микропроцессорами. Большое число американских фирм — Ехаг, Fairchild и другие, европейских — Ferranti, Plessey (Англия), Siemens (ФРГ), Philips (Голландия) и японских Japan, NEC Hitachi производят незавершенные БИС.

Программируемые матрицы

Программируемые логические матрицы (ПЛМ), программируемые ПЗУ и программируемые матрицы вентилей (ПМВ) состоят из двух групп логических элементов И и ИЛИ, которые соответственно реализуют всевозможные конъюнкции и дизъюнкции входных сигналов. Элементы И, образующие первую группу, и элементы ИЛИ, образующие вторую группу, подключают к ортогональным шинам с помощью плавких перемычек. Завершение или программирование требуемой логической функции производится электрическим выжиганием перемычек (диодов).

У ПЛМ обе группы элементов являются программируемыми, в то время как у программируемых ПЗУ и ПМВ настраиваться могут соответственно только 2-я или 1-я группы. К достоинствам ПЛМ и их разновидностей можно отнести: легкость программирования; невысокую стоимость; большое быстродействие. Однако функциональные возможности таких матриц ограничены. Они наиболее пригодны для реализации комбинационных схем, различного типа шифраторов и специализированных автоматов (если в матрице имеется память).

Универсальные логические матрицы

Универсальные логические матрицы (УЛМ) можно рассматривать как разновидность ПЛМ, обладающих свойством многократной программируемости в процессе эксплуатации; УЛМ содержат информационные и управляющие входы, на которые подается вектор настройки U для реализации требуемой функции.

В состав УЛМ входит матрица элементов ИЛИ и И, аналогичная ПЛМ. К входам элементов И матрицы подключены схемы, реализующие логическую равнозначность, на которые подаются информационные и управляющие сигналы.

УЛМ имеют очевидные преимущества перед ПЛМ, так как позволяют реализовать динамическую реконфигурацию, однако обладают большой избыточностью и несут в себе недостатки, присущие ПЛМ.

Микропроцессоры и однокристальные ЭВМ

Микропроцессор (МП) — устройство, обрабатывающее информацию в соотвегствии с программой, подаваемой по командам на его входы, и реализованное в одной или нескольких БИС. Очевидно, что МП не может функционировать без других интегральных схем, выполняющих функции синхронизации, согласования по нагрузке и др.

Совокупность интегральных схем, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению и предназначенных для совместного применения при построении МП, микро-ЭВМ и микропроцессорных систем, называется микропроцессорным комплектом. Таким образом, МП выполняет арифметические и логические операции, анализирует и принимает решения, изменяющие процесс вычисления, управляет процессом ввода и вывода информации, т. е. он реализует функции, обычно возлагаемые на центральный процессор ЭВМ.

Появление МП прежде всего связано с успехами интегральной технологии. С момента «выхода в свет» БИС сразу же стал очевидным тот факт, что только те схемы цифровой вычислительной техники могут быть эффективно реализованы в них, которые обладают следующими свойствами: регулярностью структуры; серийностью, т. е. будут производиться большим тиражом; ограниченным числом входов и выходов, отношение которого к общей сложности БИС, т. е. к числу транзисторов, реализованных в ней, должно быть небольшим.

С использованием: Самофалов К.Г., Викторов О.В. Микропроцессоры. Библиотека инженера. Издательство «Тэхника». Харьков. 1989 г.