ВТиИТ лекции

Программируемые логические микросхемы

Это обобщающее название микросхем-«полуфабрикатов», из которых получают специализированные ИМС программированием у потребителя. В эту группу входят и рассмотренные ранее ПЛМ. Можно считать, что ПЛИС – это интеграция микросхем.

Замечание. Кроме ПЛИС имеется много других разновидностей «полуфабрикатов», т.е. микроэлектронных изделий, которые выпускаются изготовителем в незаконченном виде. Сюда можно отнести и многочисленные полузаказные изделия. Для придания им законченного, специализированного вида требуется определённая доработка, включающая и программирование потребителем. Весьма показательным в этом смысле является базовый матрический кристалл (БМК), из которого программированием и доработкой получают специализированную матрическую БИС. БМК – это ещё не микросхема, а только кристалл без соединительных линий, не установленный в корпус, а имеющий только контактные площадки для внешних выводов. Основу БМК составляют базовые ячейки (БЯ), в которых расположены различные изолированные друг от друга компоненты: транзисторы, МЭТ, диоды, резисторы и др. Из компонентов одной ячейки или нескольких ячеек могут быть созданы функциональные узлы комбинационного или последовательного типа значительной сложности – макроэлементы. Программирование и окончательное формирование специализированной БИС из БМК продолжается 6 – 8 недель и заканчивается у изготовителя нанесением соединений по изготовленному потребителем фотошаблону (в процессе программирования БИС) и установкой в корпус. Такие «полуфабрикаты» не будем включать в ПЛИС, т.к. они входят в другую группу полузаказных изделий.

Опуская вопрос о классификации «полуфабрикатов» и полузаказных изделий, в пособии ПЛИС рассматривается в более узком смысле. В группу ПЛИС включены такие «полуфабрикаты», которые представляют собой законченную производителем микросхему (в корпусе с выводами и с нанесёнными соединениями) и программирование которых производится потребителем без помощи изготовителя (пережигание плавких перемычек). Программирование ПЛИС производится довольно быстро (от нескольких секунд до нескольких минут) при помощи специальных программаторов. Рассмотренные ранее ПЛМ являются одной из многочисленных (более сотни) разновидностей ПЛИС. В структуру многих разновидностей ПЛИС входят как комбинационные, так и последовательностные (триггер, регистры, счётчики) узлы, а также узлы запоминающих устройств (ЗУ). Различаются ПЛИС и способами программирования.

Способы программирования ПЛИС. Кроме широко используемых плавких перемычек, существуют и другие, более эффективные способы программирования. Это могут быть МНОП-транзисторы, МОП-транзисторы с «плавающим» затвором или двухзатворные МОПтранзисторы. В этих транзисторах проводящий канал индуцируется (наводится) под действием заряда, накапливаемого на границе двух диэлектриков под затвором, или на изолированном (плавающем) затворе при подаче импульса напряжения в процессе программирования. Накопленный заряд сохраняется в течение нескольких лет, обеспечивая необходимые соединения элементов ПЛИС. Перед программированием такие транзисторы переводятся в закрытое состояние (т.е. все соединения разрываются) подачей специального электрического сигнала (такие ИМС называются электрически стираемыми – ЭСПЛИС) или при помощи облучения кристалла ИМС через специальное окно ультрафиолетовым светом (такие ИМС называются стираемыми – СПЛИС). Наиболее перспективными для применения в аппаратуре считаются ЭСПЛИС (например, двухзатворные МОП-транзисторы), так как изменение их конфигурации (перепрограммирование) может быть осуществлено непосредственно в аппаратуре (без извлечения из схемы) в течение времени не более 1 секунды.

Созданы ПЛИС по технологии КМОП статических оперативных ЗУ (СОЗУ). Изменение конфигурации таких ПЛИС может производиться динамически (программно).

Теория автоматов

Дискретный автомат – модель дискретного устройства, отражающего свойство обработки информации этим устройством. Для описания используют множество значений сигналов. Состояния входов: X = {x1, x2, x3… xn};

Состояние выходов: Y = {y1, y2, y3… yn}; Внутренние состояния: S = {s1, s2, s3… sn};

В общем случае состояние выхода yj = f[X(t); S(t)]

Если выход зависит только внутреннего состояния, то собственный выход yсобств = f[S(t)] Различают автоматы:

Комбинационные, состояние выходов определяется состоянием входов (шифраторы, мультиплексоры) yj = f[X(t)].

Автоматы с памятью (присутствуют ячейки памяти), состояние автомата определяется {X,S}, при этом состояние может быть устойчивым (не изменятся до изменения входного сигнала) и неустойчивым (т. е. стремится перейти в новое состояние (мультивибратор)).

Конечные – автоматы, задаваемые конечным набором входных и выходных сигналов

и конечным множеством внутренних состояний, при этом переходы из одного состояния в другое считаются мгновенными (переходных процессов нет).

Среди конечных автоматов разделяют синхронные и асинхронные.

Автомат Мили: S(t+1) = f[S(t); X(t)]; Y(t) = f[S(t), X(t)] Автомат Мура: S(t+1) = f[S(t); X(t)]; Y(t) = f[S(t)]

Если учитываем время перехода из состояния в состояние (переходный процесс) – динамический автомат.

Вероятностный автомат – поведение не детерминировано (переходы неоднозначны) S(t) = f[S(t-1)X(t),λ(X,S)]

λ(X,S) – вероятностная характеристика.

Способы задания функции работы автомата:

Табличный (таблицы истинности)

Xi Si Sj Y

Таблица содержит 2n строк – по числу наборов значений аргументов, и n столбцов – число аргументов и один столбец значения функции.

В каждой строке таблицы записывают, какие сигналы должны быть на входе, какие внутренние состояния и какие сигналы должны быть при этом на выходах

Графический (задается графом переходов)

X1Y1

Вершина – внутреннее состояние, дуги – состояние входа Х, которые вызвало этот переход и состояние выхода Y при этом.

S1 S2

X2Y2

S3

Архитектура ЭВМ

Любой процесс вычисления можно разбить на следующие этапы:

– определение и задание порядка вычисления;

– задание исходных данных;

– вычисление;

– вывод данных (получение конечного результата).

Обобщенная структурная схема

Классификация процессоров

По области применения:

1.Процессоры встраиваемых систем

–универсальные;

–с расширенными коммуникационными возможностями;

–с расширенными дискретными вводами и выводами;

–с возможностью обработки аналоговых сигналов.

2.Коммуникационные процессоры (поддержка сетевых интерфейсов и протоколов)

–сетевые (Ethernet)

–модемные

3.Процессоры цифровой обработки сигналов (небольшой набор команд, высокое быстродействие)

4.Медийные процессоры (аудио-, видео-адаптеры)

5.Сопроцессоры (математические)

6.Транспьютеры

7.Другие типы

–нейтропроцессоры построения нейтронных сетей

–узкоспециализированные процессоры

По полноте вычислительного ядра:

1.Сопроцессоры (арифметические)

2.Полнофункциональные

3.С расширенной периферией

4.Однокристальные микро ЭВМ

5.Однокристальные мультимедийные системы

По архитектуре вычислительного ядра:

По разрядности ядра

–типовые кратности 4, 8, 16, 32, 64

–нетиповые – разрядность, не кратная восьми

–масштабируемые (масштабность наращивается блочно)

По организации памяти:

1.С архитектурой фон-Неймана (Машины фон-Неймана хранят программу и данные в одной и той же области памяти. В машинах этого типа команды содержат указание, что выполнить, и адрес данных, подлежащих обработке.)

2.С Гарвардской архитектурой (Единственное отличие гарвардской архитектуры состоит в том, что память программ и память данных разделены, и они используют физически разделенные линии передачи.)

По системе команд:

1.CISC архитектура (компьютер с полным набором инструкций, разные команды имеют разные длины, скорости обработки)

2.RISC (система с сокращенным набором команд)

По уровню распараллеливания процесса

–суперскалярный (процессор сам определяет набор команд )

–с внешним командным символом

–мультискалярные (распараллеливание на отдельные информационные блоки)

Однопроцессорные ЭВМ

Микропроцессорная система – это микропроцессор и дополнительные устройства, выполняющие вспомогательные для МП функции.

Магистрально – модульная структура построения Трехшинная структура

AB адресная шина

DB шина данных

СB шина управления

Возможно мультиплексирование шин адреса (AB) и шины данных (DB) по времени – двухшинная организация (есть шина управления CB и мультиплексированная шина адреса/данных – A/DB)

Двухшинная организация

Работает медленнее

A/D B - шина адреса и управления

CPU

СВ

I/O, RAM