1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим




Скачать 21,48 Kb.
Название1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим
страница4/10
Дата04.02.2016
Размер21,48 Kb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

13. Синхронизация в цифровых устройствах.

Как уже отмечалось, основным методом построения работоспособных циф­ровых устройств в настоящее время является синхронизация, устраняющая критические временные состязания сигналов.

Синхронизация осуществляется тактовым генератором, сигналы которого распределяются по всем частям устройства и разрешают прием данных эле­ментам памяти — синхронным триггерам. Она упорядочивает во времени последовательность операций при обработке информации в ЦУ. Темп обра­ботки задается частотой тактовых сигналов.

Обобщенный тракт обработки информации при синхронной организации процессов можно представить чередованием комбинационных цепей КЦ и элементов памяти ЭП, что отражает работу ЦУ как при пространственном чередовании КЦ и ЭП (рис. 3.29, а), так и при последовательном выполнении различных операций в разных временных тактах на одном и том же оборудовании (рис. 3.29, б).

При работе устройства КЦ преобразуют данные по тем или иным логическим зависимостям, а ЭП принимают их после окончания переходных процессов, т. е. установления на выходах КЦ истинных значений сигналов.

В КЦ пути от входов к различным выходам не идентичны. Для расчета сис­темы синхронизации нужно оценить минимальную и максимальную за­держки сигналов в КЦ. Для оценки минимальной задержки следует учесть минимальные задержки элементов (т. е. учесть разброс задержек для эле­ментов данного типа) и найти самый короткий путь от входов к одному из выходов КЦ (короткий в смысле времени его прохождения сигналом, есте­ственно). С учетом максимальных задержек элементов оценивается самый длинный путь сигнала к выходу КЦ. Таким образом, должны быть опреде­лены задержки tкц.min и tкц.mах.

Временная не идентичность путей к разным выходам КЦ затрудняет устра­нение критических временных состояний сигналов. С этой точки зрения одинаковость задержек для всех выходов КЦ была бы желательна.



Рис. 3.29. Обобщенные структуры тракта обработки информации в цифровых устройствах (а, б)


14. Двухфазная синхронизация.

Такая синхронизация характеризуется использованием двух последователь­ностей синхроимпульсов (рис. 3.36, а), сдвинутых во времени друг относи­тельно друга. Интервал между импульсами обеих последовательностей отво­дится для работы комбинационных цепей. Соседние каскады получают раз­ноименные серии синхроимпульсов (рис. 3.36, б).

При возбуждении фазы С2 данные с триггеров фазы С1 через соответствую­щие КЦ передаются на триггеры фазы С2. При возбуждении фазы С1 тригге­ры этой фазы через КЦ принимают данные от триггеров фазы С2. Поочеред­ное возбуждение фаз обеспечивает передачу данных по тракту их обработки без каких-либо временных состязаний, т. к. выдача данных производится триггерами, не изменяющими своих состояний в данной фазе, а прием дан­ных осуществляется после завершения переходных процессов в КЦ.

Достоинством двухфазной системы является возможность применения про­стых одноступенчатых триггеров с управлением уровнем. В то же время на­личие двух фаз синхроимпульсов усложняет схему устройства.



Рис. 3.36. Временная диаграмма синхросигна­лов (а) и схема тактирования элементов памяти для двухфазной системы синхронизации (б)

Из лекций:

Расфазировка синхросигналов – их временной (фазовый) сдвиг на входах разных приемников. Причина расфазировки – недостаток задержки буф. усилителей и разные задержки в линиях связи.


15. Конвейеризация трактов передачи данных.

Сущность конвейеризации, которая широко применяется для повышения производительности различных средств обработки информации, заключается в разбиении трактов обработки информации на ступени. На рис. 4.13, а по­казан тракт обработки данных, содержащий входной и выходной регистры и логическую схему ЛСх между ними. Исходя из тезиса о возможности подачи новых входных данных только после окончания обработки старых, получим минимальный период тактовых импульсов для этой схемы:

Tmin = tRG + tкц + tsu

где tRG — задержка входного регистра на пути "такт—выход"; tкц — задержка сигнала в комбинационной цепи (логической схеме); tsu — время предуста­новки выходного регистра.

Уменьшения Tmin, т. е. повышения частоты тактовых импульсов, можно до­биться снижением tKU путем расщепления логической схемы на ступени, разделенные регистрами (рис. 4.13, б). Если логическая схема расщепляется по глубине ровно пополам, то новое значение минимального периода такто­вых импульсов определится тем же соотношением, что и для схемы, пока­занной на рис. 4.13, а, однако численное значение задержки логической схемы уменьшится вдвое, т. е. допустимая частота тактирования схемы уве­личится. Конвейеризация увеличивает темп передач данных по тракту их обработки, хотя время нахождения каждой единицы данных в этом тракте не только не уменьшается, но даже увеличивается. Первая порция результа­тов в конвейеризованной системе появляется позднее, чем в сквозной, зато последующие поступают с более высокой частотой.



Рис. 4.13. Исходный (а) и конвейеризованный (б) тракты обработки информации


16. Запоминающие устройства типа ROM(M).

В масочные ЗУ типа ROM(M) информация записывается при изготовлении микросхем на промышленных предприятиях с помощью шаблона (маски) на завершающем этапе технологического процесса. ЗУ типа PROM программируются после изготовления их предприятием электронной промышленности в лабораториях потребителей без использо­вания сложных технологических процессов. Для этого используются не­сложные устройства (программаторы).

Программирование постоянной памяти заключается в том или ином разме­щении элементов связи между горизонтальными и вертикальными линиями матрицы запоминающих элементов.

Запоминающие устройства типа ROM имеют многоразрядную организацию (чаще всего 8-разрядную или 4-разрядную, для некоторых ИС 16-разрядную) и обычно выполняются по структуре 2DM. Простейшие ЗУ мо­гут иметь структуру 2D. Технологии изготовления постоянных ЗУ разнооб­разны — ТТЛ(Ш), КМОП, n-МОП и др. Элементом связи в масочных ЗУ могут быть диоды, биполярные транзисто­ры, МОП-транзисторы и т. д.В матрице диодного ROM(M) (рис. 4.12, а) горизонтальные линии являются линиями выборки слов, а вертикальные — линиями считывания, Считываемое слово определяется расположением диодов в узлах координатной сетки. При наличии диода высокий потенциал выбранной горизонтальной линии передается на соответствующую вертикальную линию, и в данном разряде слова появляется сигнал логической единицы. При отсутствии диода потен­циал близок к нулевому, т. к. вертикальная линия через резистор связана с землей. В изображенной матрице при возбуждении линии выборки Ш1(1) считывается слово 11010001 (в ячейке номер один хранится это слово). При возбуждении Ш2 считывается слово 10101011 (оно хранится в ячейке номер 2). Шины выборки являются выходами дешифратора адреса, каждая адресная комбинация возбуждает свой выход дешифратора, что приводит к считыванию слова из адресуемой ячейки.

В матрице с диодными элементами в одних узлах матрицы диоды изготов­ляются, в других — нет. При этом, чтобы удешевить производство, при из­готовлении. ЗУ стремятся варьировать только один шаблон, так чтобы одни элементы связи были законченными и работоспособными, а другие — не завершенными и как бы отсутствующими. Для матриц с МОП-тран­зисторами часто в МОП-транзисторах, соответствующих хранению нуля, увеличивают толщину подзатворного окисла, что ведет к увеличению поро­гового напряжения транзистора. В этом случае рабочие напряжения ЗУ не в состоянии открыть транзистор. Постоянно закрытое состояние транзистора аналогично его отсутствию. Матрица с МОП-транзисторами показана на рис. 4.12, б.



Рий. 4.12. Матрица диодных запоминающих элементов масочного ЗУ (а)

В литературе, посвященной памяти, "шинами" часто называют отдельные линии (в противоположность литературе по микропроцессорной технике).

Рис. 4.12. (окончание) Матрица МОП-транзисторных элементов (б)

ЗУ с масочным программированием отличаются компактностью запоми­нающих элементов и, следовательно, высоким уровнем интеграции. При больших объемах производства масочное программирование предпочтитель­но, однако при недостаточной тиражности ЗУ затраты на проектирование и изготовление шаблона для технологического программирования ЗУ окажут­ся чрезмерно высокими. Отсюда видна и область применения масочных ЗУ — хранение стандартной информации, имеющей широкий круг потреби­телей. В частности, масочные ЗУ имеют в качестве "прошивки"(2) коды букв алфавитов (русского и латинского), таблицы типовых функций (синуса, квадратичной функции и др.), стандартное программное обеспечение и т. п.

17. ЗУ типов EPROM и EEPROM.

В репрограммируемых ЗУ типов EPROM и EEPROM (или E2ROM) воз­можно стирание старой информации и замена ее новой в результате специального процесса, для проведения которого ЗУ выводится из рабочего ре­жима. Рабочий режим (чтение данных) — процесс, выполняемый с относи­тельно высокой скоростью. Замена же содержимого памяти требует выпол­нения гораздо более длительных операций.

По способу стирания старой информации различают ЗУ со стиранием ульт­рафиолетовыми лучами (EPROM или в русской терминологии РПЗУ-УФ, т. е. репрограммируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием) и электриче­ским стиранием (E2ROM или РПЗУ-ЭС).

Запоминающими элементами современных РПЗУ являются транзисторы типов МНОП и ЛИЗМОП (добавление ЛИЗ к обозначению МОП происхо­дит от слов Лавинная Инжекция Заряда).

МНОП-транзистор отличается от обычного МОП-транзистора двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 и затем уже затвор (рис. 4.16, а). На границе диэлектрических слоев возникают центры захвата заряда. Благодаря туннельному эффекту, носители заряда могут проходить через тонкую пленку окисла толщиной не более 5 нм и скапливаться на границе раздели слоев. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывают созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возник­новения туннельного перехода носителей заряда через тонкий слой SiO2. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака в зависимости от направленности электрического поля в подзатворной области. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора.




Рис. 4.16. Структуры транзисторов типов МНОП (а) и ЛИЗМОП с двойным затвором (б)

Для МНОП-транзистора с n-каналом отрицательный заряд на границе раз­дела слоев повышает пороговое напряжение (экранирует воздействие поло­жительного напряжения на затворе, отпирающего транзистор). При этом пороговое напряжение возрастает настолько, что рабочие напряжения на затворе транзистора не в состоянии его открыть (создать в нем проводящий канал). Транзистор, в котором заряд отсутствует или имеет другой знак, легко открывается рабочим значением напряжения. Так осуществляется хране­ние бита в МНОП: одно из состояний трактуется как отображение логиче­ской единицы, другое — нуля.

При программировании ЗУ используются относительно высокие напряже­ния, около 20 В. После снятия высоких напряжений туннельное прохожде­ние носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзисто­ру пороговое напряжение остается неизменным.

После 104...106 перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранить заряд. РПЗУ на МНОП-транзисторах энергонезависимы и могут хранить информацию месяцами, годами и десятками лет.

Перед новой записью старая информация стирается записью нулей во все запоминающие элементы. Тип ЗУ — РПЗУ-ЭС.

Транзисторы типа ЛИЗМОП всегда имеют так называемый плавающий за­твор, который может быть единственным или вторым, дополнительным к обычному (управляющему) затвору. Транзисторы с одним плавающим за­твором используются в ЗУ типа РПЗУ-УФ, а транзисторы с двойным затво­ром пригодны для применения как в РПЗУ-УФ, так и в РПЗУ-ЭС. Рассмот­рим более современный тип — ЛИЗМОП-транзистор с двойным затвором (рис. 4.16, б).

Принцип работы ЛИЗМОП с двойным затвором близок к принципу работы МНОП-транзистора — здесь также между управляющим затвором и обла­стью канала помещается область, в которую при программировании можно вводить заряд, влияющий на величину порогового напряжения транзистора. Только область введения заряда представляет собою не границу раздела сло­ев диэлектрика, а окруженную со всех сторон диэлектриком проводящую область (обычно из поликристаллического кремния), в которую, как в ло­вушку, можно ввести заряд, способный сохраняться в ней в течение очень длительного времени. Эта область и называется плавающим затвором.

При подаче на управляющий затвор, исток и сток импульса положительного напряжения относительно большой амплитуды 20.;.25 В в обратно смещен­ных р-n переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщает­ся электронами. Часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения вос­станавливает обычное состояние областей транзистора и запирает электро­ны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (в вы­сококачественных приборах многие годы).

Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напря­жение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений прово­дящий канал в транзисторе не создается.

При отсутствии заряда в плавающем затворе транзистор работает в обычном ключевом режиме.

Стирание информации может производиться двумя способами — ультра­фиолетовым облучением или электрическими сигналами.

В первом случае корпус ИС имеет специальное прозрачное окошко для об­лучения кристалла. Двуокись кремния и поликремний прозрачны для ульт­рафиолетовых лучей. Эти лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заря­ду покинуть плавающий затвор. Операция стирания информации этим спо­собом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кри­сталле. В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования су­щественно ограничено, т. к. под действием ультрафиолетовых лучей свойст­ва материалов постепенно изменяются. Число циклов перезаписи у отечест­венных ИС равно 10...100.

Электрическое стирание информации осуществляется подачей на управ­ляющие затворы низкого (нулевого) напряжения, а на стоки — высокого напряжения программирования. Электрическое стирание имеет преимуще­ства: можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно (индивидуально для каждого адреса). Длительность процесса "стирание-запись" значительно меньше, сильно ослабляются ограничения на число циклов перепрограммирования (допускается 104...106 таких циклов). Кроме того, перепрограммировать ЗУ можно, не извлекая микросхему из устройст­ва, в котором она работает. В то же время схемы с электрическим стирани­ем занимают больше места на кристалле, в связи с чем уровень их интегра­ции меньше, а стоимость выше. В последнее время эти недостатки быстро преодолеваются и ЭС-стирание вытесняет УФ-стирание.

Предшественниками двухзатворных ЛИЗМОП-транзисторов были одноза­творные, имевшие только плавающий затвор. Эти транзисторы изготовлялись обычно с р-каналом, поэтому введение электронов в плавающий затвор при­водило к созданию в транзисторе проводящего канала, а удаление заряда — к исчезновению такого канала. При использовании таких транзисторов запоми­нающие элементы состоят из двух последовательно включенных транзисторов:

ключевого МОП-транзистора обычного типа для выборки адресованного эле­мента и ЛИЗМОП-транзистора, состояние которого определяет хранимый бит. Стирание информации производится ультрафиолетовыми лучами.

Подключение двухзатворных ЛИЗМОП-транзисторов к линиям выборки строк и линиям чтения в матрицах ЗУ показано на рис. 4.17. Запись логиче­ского нуля осуществляется путем заряда плавающего затвора инжекцией "горячих" электронов в режиме программирования. Стирание информации, под которым понимается удаление заряда из плавающего затвора, приводит к записи во все запоминающие элементы логических единиц, т. к. в данном случае опрашиваемые транзисторы открываются и передают напряжение Ucc на линии считывания.

Среди отечественных РПЗУ-УФ (в маркировке они имеют буквы РФ) наи­более известна серия К573 с широким -набором типономиналов, а среди РПЗУ-ЭС (в маркировке имеют буквы РР) имеются серии КР558 (на основе n-МНОП), К1609, К1624, К1626 на ЛИЗМОП с двумя затворами.



Рис. 4.17. Схема подключения ЛИЗМОП-транзисторов с двойным затвором к линиям выборки и считывания в РПЗУ

Отечественные ROM характеризуются в настоящее время следующими па­раметрами: масочные ИС имеют информационную емкость до 1 Мбита при временах доступа около 200 нc, микросхемы с плавкими перемычками соот­ветственно 64 Кбита и 80 нc, РПЗУ-УФ 1 Мбит и 350 нc, РПЗУ-ЭС 64 Кбита и 250 нc.

На уровне мировой техники имеются ЗУ типа РПЗУ-УФ с информационной емкостью до 8 Мбит при временах доступа 45 нc (фирма Atmel), ЗУ типа РПЗУ-ЭС с информационной емкостью до 256 Кбит при временах доступа 90 нc и допустимом числе циклов перезаписи 105 с временем сохранения дан­ных более 10 лет. Это ЗУ использует один источник питания 5 В и потребляет ток 2 мА в активном режиме и 100 мкА при отсутствии обращений. Возможна байтовая или страничная запись за время 3 мс (фирма SGS-Thomson)

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЗазнаев О. И. Вторая молодость «долгожителя»: концепт «политический институт» в современной науке Раздел Теоретические проблемы политологии
Институты – это конструкции, созданные человеческим сознанием. Но даже самые убежденные представители неоклассической школы признают...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЛекция: Адресация операндов Основная функция любого процессора, ради которой он и создается, это выполнение команд. Система команд, выполняемых процессором,
Система команд, выполняемых процессором, представляет собой нечто подобное таблице истинности логических элементов или таблице режимов...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconЛекция: природный фактор
В конечном счете все, чем обладает современный человек, кроме знаний и информации, сделано из природного материала, пусть и преобразованного....
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconПрограмма «Credo Топополан» программа создания цифровой модели местности и выпуска топографических плАнов
Назначение: создание цифровой модели местности инженерного назначения, выпуск планшетов и чертежей топографических планов
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconМежсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания рэс
Показаны преобразования модели при изменении параметров изделия в ходе жизненного цикла и результаты применения подобных методик...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconОпределение параметров модели процесса миграции радионуклидов в почве
Предлагается методика экспериментального определения параметров модели процесса миграции радионуклидов в почве
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconУтренняя гимнастика
Основные движения бег и подскоки обязательно включаются в утреннюю гимнастику, они усиливают деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим icon1 00 книг, без которых нельзя прожить
В конечном счете, качество выигрывает. Хотя люди и скупали "Код да Винчи" миллионными тиражами, но в опросе о любимых книгах британцев...
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconПятая международная конференция
Законы преобразования информации: Общая теория информации и интеллект. (Yi-Xin Zhong, Китай)
1. Простейшие модели и система параметров логических элементов Даже самые сложные преобразования цифровой информации, в конечном счете, сводятся к простейшим iconРекомендации участникам олимпиады по истории основные подходы к проведению Олимпиады по истории
Особо выделим цель – отбор учащихся-победителей для создания ими портфолио успешности ученика и, в конечном счете, формирования льготных...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница