Разветвление

В цифровой электронике разветвление — это количество входов вентиля , управляемых выходом другого одиночного логического вентиля.

В большинстве конструкций логические элементы соединяются для формирования более сложных схем. Хотя ни один вход логического вентиля не может быть подключен к более чем одному выходу одновременно, не вызывая конфликтов, обычно один выход подключается к нескольким входам. Технология, используемая для реализации логических вентилей, обычно позволяет соединить определенное количество входов вентилей напрямую вместе без дополнительных интерфейсных схем. Максимальное разветвление выхода измеряет его способность управлять нагрузкой: это наибольшее количество входов вентилей одного типа, к которым выход можно безопасно подключить.

Логическая практика

Максимальные ограничения на разветвление обычно указываются для данного семейства логики или устройства в таблицах данных производителя. Эти ограничения предполагают, что управляемые устройства являются членами одного семейства.

Когда два разных логических семейства связаны между собой, требуется более сложный анализ, чем разветвление и разветвление. Разветвление в конечном итоге определяется максимальными токами истока и стока на выходе, а также максимальными токами истока и стока подключенных входов; управляющее устройство должно быть способно подавать или потреблять на своем выходе сумму необходимых или предоставляемых токов (в зависимости от того, является ли выход высоким или низким логическим уровнем напряжения) всеми подключенными входами, сохраняя при этом характеристики выходного напряжения. Для каждого семейства логических схем обычно производитель определяет «стандартный» вход с максимальными входными токами на каждом логическом уровне, а разветвление выхода рассчитывается как количество этих стандартных входов, которые могут управляться в худшем случае. . (Следовательно, возможно, что выход может фактически управлять большим количеством входов, чем указано в разветвлении, даже для устройств одного семейства, если конкретные управляемые устройства потребляют и / или выдают меньший ток, как указано в их технических характеристиках, чем «стандартное» устройство этого семейства.) В конечном счете, имеет ли устройство возможность разветвления для управления (с гарантированной надежностью) набором входов, определяется путем сложения всех указанных входных токов с низким (максимальным) значением. в таблицах данных управляемых устройств, суммируя все входные высокие (максимальные) токи стока тех же самых устройств и сравнивая эти суммы с гарантированным максимальным выходным низким током стока и выходным током источника приводного устройства соответственно. . Если обе суммы находятся в пределах возможностей управляющего устройства, то оно имеет возможность разветвления постоянного тока для управления этими входами на этих устройствах как группой, а в противном случае - нет, независимо от номера разветвления, указанного производителем. Однако для любого уважаемого производителя, если текущий анализ показывает, что устройство не может управлять входами, число разветвлений будет соответствовать.

Когда требуется высокоскоростное переключение сигналов, импеданс переменного тока на выходе, входах и проводниках между ними может значительно снизить эффективную мощность возбуждения на выходе, и этого анализа постоянного тока может быть недостаточно. См. раздел «Разветвление переменного тока» ниже.

Теория

разветвление постоянного тока

Идеальный логический вентиль должен иметь бесконечное входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление , что позволяет выходу вентиля управлять любым количеством входов вентиля. Однако, поскольку реальные технологии производства демонстрируют далеко не идеальные характеристики, будет достигнут предел, при котором выход затвора не сможет подавать больше тока на последующие входы затвора - попытка сделать это приведет к падению напряжения ниже уровня, определенного для логического уровня. на этом проводе, вызывая ошибки.

Разветвление — это количество входов, которые могут быть подключены к выходу до того, как ток, требуемый входами, превысит ток, который может подавать выход, сохраняя при этом правильные логические уровни. Текущие цифры могут отличаться для состояний логического нуля и единицы, и в этом случае мы должны выбрать пару, которая дает меньшее разветвление. Математически это можно выразить как

{\text{DC Fan-out}}=\operatorname {min} \left(\left\lfloor {\frac {I_{\text{out high}}}{I_{\text{in high}}}}\right\rfloor ,\left\lfloor {\frac {I_{\text{out low}}}{I_{\text{in low}}}}\right\rfloor \right)

где $\lfloor \;\rfloor$ это функция пола .

Если исходить только из этих цифр, количество логических элементов ТТЛ ограничено, возможно, от 2 до 10, в зависимости от типа элемента, в то время как элементы КМОП имеют разветвления постоянного тока, которые обычно намного выше, чем это может произойти в практических схемах (например, при использовании спецификаций NXP Semiconductor) . для их CMOS-чипов серии HEF4000 при 25 °C и 15 В получается разветвление 34 000).

разветвление переменного тока

Однако входы реальных вентилей имеют не только сопротивление, но и емкость по отношению к шинам питания . Эта емкость замедлит выходной переход предыдущего вентиля и, следовательно, увеличит задержку его распространения . В результате вместо фиксированного разветвления разработчик сталкивается с компромиссом между разветвлением и задержкой распространения (которая влияет на максимальную скорость всей системы). Этот эффект менее заметен для систем TTL, что является одной из причин, почему TTL сохранял преимущество в скорости над CMOS в течение многих лет.

Часто один сигнал (как крайний пример, тактовый сигнал) должен управлять гораздо более чем 10 объектами на кристалле. Разработчики схем обнаружили, что вместо того, чтобы просто подключать выход вентиля к 1000 различным входам, работа с деревом (как крайний пример, деревом тактовых импульсов ) работает намного быстрее — например, выход этого вентиля управляет 10 буферами. (или, что эквивалентно, буфер, масштабируемый в 10 раз больше буфера минимального размера), эти буферы управляют 100 другими буферами (или, что эквивалентно, буфером, масштабируемым в 100 раз больше буфера минимального размера), и эти последние буферы управляют 1000 желаемые входы. Во время физического проектирования некоторые инструменты проектирования СБИС выполняют вставку буфера как часть целостности сигнала замыкания проекта .

Аналогичным образом, вместо того, чтобы просто подключать все 64 выходных бита к одному вентилю ИЛИ-НЕ с 64 входами для генерации флага Z на 64-битном АЛУ, разработчики схем обнаружили, что при наличии дерева оно работает гораздо быстрее – например, при наличии Z флаг, генерируемый вентилем ИЛИ с 8 входами, и каждый из их входов генерируется вентилем ИЛИ с 8 входами.

Напоминая поразрядную экономику , одна оценка общей задержки такого дерева — общего количества этапов по задержке каждого этапа — дает оптимум (минимальную задержку), когда каждый этап дерева масштабируется на e , примерно 2,7. Люди, разрабатывающие цифровые интегральные схемы, обычно при необходимости вставляют деревья, чтобы число входов и выходов каждого вентиля на кристалле составляло от 2 до 10. ^[1]

Таким образом, во многих практических случаях основным ограничивающим фактором является динамическое разветвление или разветвление переменного тока, а не разветвление постоянного тока из-за ограничения скорости. Например, предположим, что микроконтроллер имеет 3 устройства на линиях адреса и данных, и микроконтроллер может управлять емкостью шины 35 пФ на максимальной тактовой частоте. Если каждое устройство имеет входную емкость 8 пФ, то допускается только следовая емкость 11 пФ. (Трассы трассировки на печатных платах обычно имеют 1-2 пФ на дюйм, поэтому дорожки в этом случае могут иметь максимальную длину 5,5 дюймов.) Если это условие длины дорожек не может быть выполнено, то микроконтроллер должен работать на более медленной шине. скорость для надежной работы, или в схему необходимо вставить буферную микросхему с более высоким током управления. Привод с более высоким током увеличивает скорость, поскольку $\textstyle \ I=C{\frac {dV}{dt}}$ ; Проще говоря, ток — это скорость протекания заряда, поэтому увеличенный ток заряжает емкость быстрее, а напряжение на конденсаторе равно заряду на нем, деленному на емкость. Таким образом, чем больше ток, тем быстрее меняется напряжение, что позволяет быстрее передавать сигналы по шине.

К сожалению, из-за более высоких скоростей современных устройств IBIS для точного определения динамического разветвления может потребоваться моделирование , поскольку в большинстве таблиц динамический разветвление четко не определено. (Для получения дополнительной информации см. внешнюю ссылку.)

См. также

FO4 — разветвление из 4
Fan-in — количество входов логического вентиля.
Реконвергентное разветвление
Разветвленная упаковка на уровне пластины
Вес Хэмминга

Ссылки

^ Майлз Мердокка, Апостолос Герасулис и Сол Леви. «Новая оптическая компьютерная архитектура с использованием реконфигурируемых межсоединений» . 1991. с. 60-61.

Внешние ссылки

ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ЦИФРОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ — онлайн-информационный бюллетень — Vol. 8 Выпуск 07

[1] Майлз Мердокка, Апостолос Герасулис и Сол Леви. «Новая оптическая компьютерная архитектура с использованием реконфигурируемых межсоединений» . 1991. с. 60-61.

[1]