✖


Jump to content

Логическая семья

В компьютерной инженерии логическое семейство — это одно из двух родственных понятий:

  • Логическое семейство монолитных цифровых интегральных схем представляет собой группу электронных логических элементов, построенных с использованием одной из нескольких различных конструкций, обычно с совместимыми логическими уровнями и характеристиками источника питания внутри семейства. Многие семейства логических систем создавались как отдельные компоненты, каждый из которых содержал одну или несколько связанных базовых 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 также может представлять собой набор методов, используемых для реализации логики в СБИС интегральных схемах , таких как центральные процессоры , память или другие сложные функции. Некоторые такие семейства логических систем используют статические методы для минимизации сложности проектирования. Другие подобные семейства логических схем, такие как логика домино , используют динамические методы с тактовой частотой для минимизации размера, энергопотребления и задержки.

До широкого распространения интегральных схем использовались различные твердотельные и ламповые логические системы, но они никогда не были настолько стандартизированы и совместимы, как устройства на интегральных схемах. Наиболее распространенным семейством логических устройств в современных полупроводниковых устройствах является логика металл-оксид-полупроводник (МОП) из-за низкого энергопотребления, небольших размеров транзисторов и высокой плотности транзисторов .

Технологии

[ редактировать ]

Список упакованных семейств логических блоков можно разделить на категории, перечисленные здесь примерно в хронологическом порядке введения, вместе с их обычными сокращениями:

Семейства (RTL, DTL и ECL) были созданы на основе логических схем, использовавшихся в ранних компьютерах и первоначально реализованных с использованием дискретных компонентов . Одним из примеров является Philips NORBIT семейство логических строительных блоков .

ПМОП и я 2 Семейства логики L использовались в течение относительно коротких периодов времени, в основном в специализированных устройствах крупномасштабных интегральных схем, и обычно считаются устаревшими. Например, первые цифровые часы или электронные калькуляторы могли использовать одно или несколько устройств PMOS для обеспечения большей части логики готового продукта. F14 CADC , Intel 4004 , Intel 4040 и Intel 8008 Микропроцессоры и их вспомогательные чипы представляли собой 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 приложениях схем СБИС , таких как процессоры и микросхемы памяти, которые выходят за рамки этой статьи. Современные ИС логических вентилей «строительного блока» основаны на семействах ECL, TTL, CMOS и BiCMOS.

Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)

[ редактировать ]
Основная статья: Резисторно-транзисторная логика

Класс цифровых схем, построенных с использованием резисторов в качестве входной цепи и биполярных транзисторов (BJT) в качестве переключающих устройств.

В компьютере Атанасова-Берри с резисторной связью, использовались логические схемы электронных ламп аналогичные RTL. Несколько ранних транзисторных компьютеров (например, IBM 1620 , 1959) использовали RTL, где он был реализован с использованием дискретных компонентов.

Семейство простых интегральных схем резисторно-транзисторной логики было разработано в Fairchild Semiconductor для управляющего компьютера Apollo в 1962 году. Вскоре Texas Instruments представила собственное семейство RTL. Вариант со встроенными конденсаторами RCTL имел повышенную скорость, но меньшую помехоустойчивость, чем RTL. Это было сделано Texas Instruments как серия «51XX».

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

[ редактировать ]
Основная статья: Диодно-транзисторная логика

Класс цифровых схем, в которых функцию логического вентиля (например, И) выполняет диодная цепь, а функцию усиления — транзистор.

Диодная логика использовалась с электронными лампами в самых ранних 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 диодно-транзисторной логики было представлено компанией Signetics в 1962 году. DTL также производилась компаниями Fairchild и Westinghouse . Семейство интегральных схем диодной логики и диодно-транзисторной логики было разработано компанией Texas Instruments для управляющего компьютера D-37C Minuteman II в 1962 году, но эти устройства не были доступны широкой публике.

Вариант DTL, называемый «высокопороговой логикой», включает стабилитроны для создания большого смещения между уровнями напряжения логической 1 и логического 0. Эти устройства обычно питались от источника питания напряжением 15 В и использовались в промышленных системах управления, где высокий дифференциал был предназначен для минимизации эффекта шума. [3]

Логика PMOS и NMOS

[ редактировать ]
Основные статьи: логика PMOS и логика NMOS
Дополнительная информация: МОП-транзистор и логика NMOS с истощающей нагрузкой.

Логика МОП P-типа (PMOS) использует p-канальные МОП-транзисторы для реализации логических вентилей и других цифровых схем . Логика МОП N-типа (NMOS) использует n-канальные МОП-транзисторы для реализации логических вентилей и других цифровых схем.

Для устройств с одинаковой способностью управления током n-канальные МОП-транзисторы могут быть меньше, чем p-канальные МОП-транзисторы, поскольку носители заряда с p-каналом ( дырки ) имеют меньшую подвижность , чем n-канальные носители заряда ( электроны ), и производят только один тип МОП-транзистора на кремниевой подложке дешевле и технически проще. Это были основные принципы разработки логики NMOS , в которой используются исключительно n-канальные МОП-транзисторы. Однако, если пренебречь током утечки , в отличие от логики CMOS, логика NMOS потребляет энергию, даже когда переключение не происходит.

Мохамед М. Аталла и Давон Кан после того, как они изобрели МОП-транзистор, в 1960 году изготовили устройства как pMOS, так и nMOS по технологическому процессу 20 мкм . [4] Их оригинальные MOSFET-транзисторы имели длину затвора 20   мкм и оксида затвора толщину 100 нм . [5] Однако устройства nMOS были непрактичными, и только тип pMOS был практичным рабочим устройством. [4] Несколько лет спустя был разработан более практичный процесс NMOS. Первоначально NMOS был быстрее, чем CMOS , поэтому NMOS более широко использовался в компьютерах в 1970-х годах. [6] С развитием технологий в середине 1980-х годов логика КМОП вытеснила логику НМОП и стала предпочтительным процессом для цифровых микросхем.

Эмиттерно-связанная логика (ECL)

[ редактировать ]
Основная статья: Логика с эмиттерной связью

В ECL используется дифференциальный усилитель на биполярном переходном транзисторе (BJT) с перегрузкой и несимметричным входом и ограниченным током эмиттера.

Семейство ECL, также известное как логика текущего режима (CML), было изобретено IBM в качестве логики управления током для использования в транзисторном компьютере IBM 7030 Stretch , где оно было реализовано с использованием дискретных компонентов.

Первое семейство логики ECL, доступное в интегральных схемах, было представлено компанией Motorola под названием MECL в 1962 году. [7]

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)

[ редактировать ]
Основная статья: Транзисторно-транзисторная логика

В ТТЛ-логике биполярные транзисторы выполняют логические и усиливающие функции.

Первое семейство интегральных схем транзисторно-транзисторной логики было представлено компанией Sylvania как Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL) в 1963 году. В 1964 году компания Texas Instruments представила семейство TTL серии 7400. В транзисторно-транзисторной логике используются биполярные транзисторы. для формирования интегральных схем . [8] TTL значительно изменился за последние годы: новые версии заменили старые типы.

Поскольку транзисторы стандартного ТТЛ-затвора представляют собой переключатели с насыщением, время хранения неосновных носителей в каждом переходе ограничивает скорость переключения устройства. Вариации базовой конструкции TTL предназначены для уменьшения этих эффектов и повышения скорости, энергопотребления или того и другого.

Немецкий физик Вальтер Х. Шоттки сформулировал теорию, предсказывающую эффект Шоттки , который привел к созданию диода Шоттки , а затем и транзисторов Шоттки . При той же рассеиваемой мощности транзисторы Шоттки имеют более высокую скорость переключения, чем обычные транзисторы, поскольку диод Шоттки предотвращает насыщение транзистора и накопление заряда; см . зажим Бейкера . Затворы, построенные на транзисторах Шоттки, потребляют больше энергии, чем обычные TTL, и переключаются быстрее. [ нужны разъяснения ] В маломощном Шоттки (LS) значения внутреннего сопротивления были увеличены, чтобы снизить энергопотребление и увеличить скорость переключения по сравнению с исходной версией. Внедрение усовершенствованной технологии Шоттки с низким энергопотреблением (ALS) еще больше увеличило скорость и снизило энергопотребление. Также было представлено семейство более быстрой логики под названием FAST (Fairchild Advanced Schottky TTL) (Schottky) (F), которое было быстрее, чем обычный TTL Шоттки.

Дополнительная МОП (КМОП) логика

[ редактировать ]
Основная статья: КМОП

В логических элементах КМОП используются дополняющие друг друга схемы полевых транзисторов с N-каналом и P-каналом расширения . Поскольку в первоначальных устройствах использовались металлические затворы с оксидной изоляцией, их назвали КМОП (дополнительная логика металл-оксид-полупроводник). В отличие от TTL, CMOS практически не потребляет энергию в статическом состоянии (то есть, когда входные сигналы не изменяются). Затвор КМОП не потребляет никакого тока, кроме утечки, когда находится в устойчивом состоянии 1 или 0. Когда переключатель затвора находится в состоянии, ток берется из источника питания для зарядки емкости на выходе затвора. Это означает, что потребление тока КМОП-устройствами увеличивается с увеличением скорости переключения (обычно контролируемой тактовой частотой).

Первое семейство логических интегральных схем КМОП было представлено RCA как CD4000 COS/MOS , серия 4000 , в 1968 году. Первоначально логика КМОП была медленнее, чем LS-TTL. Однако, поскольку логические пороги КМОП были пропорциональны напряжению питания, устройства КМОП были хорошо адаптированы к системам с батарейным питанием и простыми источниками питания. КМОП-вентили также могут выдерживать гораздо более широкий диапазон напряжений, чем ТТЛ-вентили, поскольку логические пороги (приблизительно) пропорциональны напряжению источника питания, а не фиксированным уровням, требуемым для биполярных схем.

Требуемая площадь кремния для реализации таких цифровых функций КМОП быстро сократилась. Технология СБИС, объединяющая миллионы основных логических операций на одном кристалле, почти исключительно использует КМОП. Крайне малая емкость внутрикристальной проводки привела к увеличению производительности на несколько порядков. К 1970 году стали обычным явлением встроенные тактовые частоты до 4 ГГц, что примерно в 1000 раз выше, чем у этой технологии.

Снижение напряжения питания

[ редактировать ]
Основная статья: LVCMOS

КМОП-чипы часто работают с более широким диапазоном напряжений питания, чем другие семейства логических устройств. Ранние микросхемы TTL требовали питания напряжения 5 В, но ранние CMOS могли использовать напряжение от 3 до 15 В. [9] Понижение напряжения питания уменьшает заряд, хранящийся на любых емкостях, и, следовательно, снижает энергию, необходимую для логического перехода. Снижение энергопотребления подразумевает меньшее рассеивание тепла. Энергия, запасенная в емкости C и изменяющая напряжение V , равна ½ CV. 2 . За счет снижения напряжения питания с 5В до 3,3В мощность переключения удалось снизить почти на 60 процентов ( рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату напряжения питания). Многие материнские платы имеют модуль стабилизатора напряжения , обеспечивающий еще более низкое напряжение питания, необходимое для многих процессоров.

HC-логика

[ редактировать ]

Из-за несовместимости микросхем серии CD4000 с предыдущим семейством TTL возник новый стандарт, сочетающий в себе лучшее от семейства TTL с преимуществами семейства CD4000. Он был известен как 74HC (в котором использовались источники питания от 3,3 В до 5 В (и использовались логические уровни относительно источника питания)), а также устройства, в которых использовались источники питания 5 В и логические уровни TTL .

Проблема логического уровня КМОП–ТТЛ

[ редактировать ]

Соединение любых двух логических семейств часто требовало специальных методов, таких как дополнительные подтягивающие резисторы или специально созданные интерфейсные схемы, поскольку логические семейства могут использовать разные уровни напряжения для представления состояний 1 и 0, а другие требования к интерфейсу могут удовлетворяться только внутри логическая семья.

Логические уровни TTL отличаются от уровней CMOS – обычно выходной сигнал TTL не поднимается настолько высоко, чтобы его входной сигнал CMOS мог надежно распознать логическую 1. Эта проблема была решена с изобретением семейства устройств 74HCT, использующих технологию КМОП, но входные логические уровни TTL. Эти устройства работают только с источником питания 5 В. Они заменяют TTL, хотя HCT медленнее исходного TTL (логика HC имеет примерно ту же скорость, что и исходный TTL).

Другие семейства КМОП

[ редактировать ]

Другие семейства КМОП-схем в составе интегральных схем включают в себя каскодную логику переключения напряжения (CVSL) и логику проходных транзисторов (PTL) различных типов. Они обычно используются «внутри кристалла» и не поставляются в виде стандартных интегральных схем среднего или малого масштаба. [10] [11]

Биполярная КМОП (BiCMOS) логика

[ редактировать ]
Основная статья: БиКМОП

Одним из основных улучшений было объединение входов CMOS и драйверов TTL для формирования нового типа логических устройств, называемых логикой BiCMOS , из которых наиболее важными являются логические семейства LVT и ALVT. Семейство BiCMOS включает множество членов, включая логику ABT , логику ALB , логику ALVT , логику BCT и логику LVT .

Улучшенные версии

[ редактировать ]

Поскольку на рынке конкурируют логика HC, HCT и логика LS-TTL, стало ясно, что необходимы дальнейшие улучшения для создания идеального логического устройства, сочетающего высокую скорость с низким энергопотреблением и совместимостью со старыми семействами логических устройств. Появился целый ряд новых семейств, использующих технологию КМОП. Краткий список наиболее важных обозначений семейств этих новых устройств включает:

Существует множество других, включая логику AC/ACT , логику AHC/AHCT , логику ALVC , логику AUC , логику AVC , логику CBT , логику CBTLV , логику FCT и логику LVC ( LVCMOS ).

Интегрированная логика впрыска (IIL)

[ редактировать ]
Основная статья: Интегрированная логика впрыска

Встроенная логика впрыска (IIL или I 2 L) использует биполярные транзисторы в схеме управления током для реализации логических функций. [12] Он использовался в некоторых интегральных схемах, но сейчас считается устаревшим. [13]

Сравнение семейств монолитной интегральной логики

[ редактировать ]

Следующие семейства логических систем либо использовались для построения систем из функциональных блоков, таких как триггеры, счетчики и вентили, либо использовались в качестве «связующей» логики для соединения очень крупных интеграционных устройств, таких как память и процессоры. . Не показаны некоторые ранние малоизвестные логические семейства начала 1960-х годов, такие как DCTL (транзисторная логика с прямой связью), которые не получили широкого распространения.

Задержка распространения — это время, необходимое вентилю И-НЕ с двумя входами для выдачи результата после изменения состояния на его входах. Скорость переключения представляет собой максимальную скорость, с которой может работать триггер JK. Мощность на вентиль указана для отдельного вентиля И-НЕ с 2 входами; обычно в каждом корпусе микросхемы будет более одного вентиля. Значения очень типичны и могут незначительно отличаться в зависимости от условий применения, производителя, температуры и конкретного типа логической схемы. Год внедрения — это когда хотя бы часть устройств семейства были доступны в объёме для гражданского использования. Некоторые военные применения предшествовали гражданскому использованию. [14] [15]

Семья Описание Задержка распространения (нс) Переключение скорости (МГц) Мощность на вентиль при 1 МГц (мВт) Типичное напряжение питания В (диапазон) Год введения Примечания
РТЛ Резисторно-транзисторная логика 500 4 10 3.3 1963 первый процессор, построенный на интегральных схемах ( компьютер управления Apollo ), использовал RTL.
ДТЛ Диодно-транзисторная логика 25 10 5 1962 Представленная Signetics линия Fairchild 930 стала отраслевым стандартом в 1964 году.
ПМОП МЕМ 1000 300 1 9 -27 и -13 1967 Представлено General Instrument
КМОП АК/АКТ 3 125 0.5 3,3 или 5 (2-6 или 4,5-5,5) 1985 ACT имеет TTL-совместимые уровни
КМОП HC/HCT 9 50 0.5 5 (2-6 или 4,5-5,5) 1982 HCT имеет уровни, совместимые с TTL
КМОП 4000Б/74С 30 5 1.2 10 В (3–18) 1970 Примерно половина скорости и мощности при 5 Вольтах.
ТТЛ Оригинальный сериал 10 25 10 5 (4.75-5.25) 1964 Несколько производителей
ТТЛ л 33 3 1 5 (4.75-5.25) 1964 Низкая мощность
ТТЛ ЧАС 6 43 22 5 (4.75-5.25) 1964 Высокоскоростной
ТТЛ С 3 100 19 5 (4.75-5.25) 1969 Шоттки высокая скорость
ТТЛ ЛС 10 40 2 5 (4.75-5.25) 1976 Низкая мощность Шоттки, высокая скорость
ТТЛ ЕСЛИ 4 50 1.3 5 (4.5-5.5) 1976 Усовершенствованный маломощный Шоттки
ТТЛ Ф 3.5 100 5.4 5 (4.75-5.25) 1979 Быстрый
ТТЛ КАК 2 105 8 5 (4.5-5.5) 1980 Продвинутый Шоттки
ТТЛ Г 1.5 1125 (1,125 ГГц) 1.65 - 3.6 2004 Первая логика серии 7400 ГГц
ОКУ ОКУ III 1 500 60 -5.2(-5.19 - -5.21) 1968 Улучшенные ожидаемые кредитные убытки
ОКУ МЕКЛ I 8 31 -5.2 1962 первая интегральная логическая схема, выпускаемая серийно
ОКУ ОКУ 10 тыс. 2 125 25 -5.2(-5.19 - -5.21) 1971 Моторола
ОКУ ОКУ 100 тыс. 0.75 350 40 -4.5(-4.2 - -5.2) 1981
ОКУ ЭКЛ 100КХ 1 250 25 -5.2(-4.9 - -5.5) 1981

Стили дизайна, встроенные в чип

[ редактировать ]

Некоторые методы и стили проектирования в основном используются при проектировании больших однокристальных интегральных схем специального назначения (ASIC) и процессоров, а не общих логических семейств, предназначенных для использования в многокристальных приложениях.

Эти стили дизайна обычно можно разделить на две основные категории: статические техники и тактовые динамические методы .(См. «Статическая и динамическая логика» , где обсуждаются преимущества и недостатки каждой категории).

Статическая логика

[ редактировать ]

Динамическая логика

[ редактировать ]
  • четырехфазная логика
  • логика домино
  • Безногое домино
  • NORA/логика молнии
  • Домино с несколькими выходами
  • Составное домино
  • Домино с двумя рельсами
  • Домино с самовосстановлением
  • Дифференциальная логика набора выборок
  • Динамическая логика с ограниченным переключением

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Савард 2018
  2. ^ Мюллер, Дитер (2005). «Логические ворота» . Архивировано из оригинала 18 июля 2018 г. Проверено 18 июля 2018 г.
  3. ^ Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника Цифровые и аналоговые схемы и системы . МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-042327-Х .
  4. ^ Перейти обратно: а б Лоек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Спрингер. стр. 321–3. ISBN  9783540342588 .
  5. ^ Сзе, Саймон М. (2002). Полупроводниковые приборы: физика и технологии (PDF) (2-е изд.). Уайли. п. 4. ISBN  0-471-33372-7 .
  6. ^ «1978: Быстрая CMOS SRAM с двумя лунками (Hitachi)» (PDF) . Музей истории полупроводников Японии . 23 января 2019 года . Проверено 5 июля 2019 г.
  7. ^ Блад младший, Уильям Р. (1972). Справочник по проектированию системы MECL (PDF) (2-е изд.). Motorola Полупроводниковая продукция . п. VI. OCLC   17253029 — через Bitsavers.
  8. ^ Ланкастер, Дон (1975). Поваренная книга ТТЛ . Говарда В. Сэмса и компании ISBN  0-672-21035-5 .
  9. ^ Интегральные схемы RCA COS/MOS . ССД-250А. Корпорация РКА. 1978. OCLC   4894263 .
  10. ^ Бейкер, Р. Джейкоб (2008). Проектирование, компоновка и моделирование КМОП-схем . Том. 1. Уайли. стр. 369–370. ISBN  978-0470229415 . Проверено 17 ноября 2021 г.
  11. ^ Сегура, Жауме; Хокинс, Чарльз Ф. (26 марта 2004 г.). КМОП-электроника: как она работает и как она выходит из строя . Уайли. п. 132. ИСБН  978-0471476696 . Проверено 17 ноября 2021 г.
  12. ^ Херст, Стэнли Л. (1999). Заказная микроэлектроника СБИС: цифровые: аналоговые и смешанные сигналы . Марсель Деккер. стр. 31–38. ISBN  0-203-90971-2 .
  13. ^ Херст 1999 , с. 38
  14. ^ Справочник TTL для инженеров-конструкторов (1-е изд.). Техасские инструменты . 1973. С. 59, 87. OCLC   6908409 .
  15. ^ Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). «Таблица 9.1». Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 570. ИСБН  0-521-37095-7 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Logic_family&oldid=1224026369"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6bec2f10ab67ce15e2089e76fc30af0f__1715794020
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/6b/0f/6bec2f10ab67ce15e2089e76fc30af0f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Logic family - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)