Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002), страница 9

1.4. Корпуса с двухрядным расположением выводов: (а) корпус с 14 выво- дами; (Ь) корпус с 20 выводами; (с) корпус с 28 выводами ТНВ Ы 4 Ы 4 Т411 ТЕ1 г 4 ~О 4 4 в Ы 4 4 Е Ы 4 4 4 4 4 4 Т Рнс. 1.5. Схемы расположения выводов для нескольких ИС малой степени ин- теграции серии 7400 Хотя МИС иногда еще применяются в качестве «связующих элементов» при объединении в сложные системы элементов большей степени интеграции, они, как правило, все же вытесняются программируемыми логическими устройствами (ПЛУ), с которыми мы познакомимся в параграфах 5.3 и 8.3. Следующие по количеству вентилей ИС, выпускаемые серийно, называются интегральными схемами средней степени интеграции (тешит-вса!е !п!едта!)оп, МЯ!) или средними интегральными схемами (СИС); их содержимое примерно эквивалентно числу вентилей от 20 до 200.

В типичном случае СИС представляет собой функциональный блок, такой как дешифратор, регистр нли счетчик. В главах 5 и 8 будет сделан особый упор на функциональные блоки такого вида. Хотя применение самих СИС сокращается, эквивалентные нм функциональные блоки широко используются при создании ббльшнх ИС. Еще бдльш ими ИС являются интегральные схемы высокой степени интеграции ((атйе-вса)е !п!ейтайоп, ЬЯ) или большие ИС (БИС), содержащие от 200 до 36 Глава 1. Введемие 200000 вентилей в эквивалентном выражении или больше.

Большими ИС являются запоминающие устройства малого объема, микропроцессоры, программируемые логические устройства и заказные ИС. ОЧЕНЬ МАЛАЯ СТЕПЕНЬ ИНТЕГРАЦИИ В предстоящие годы, возможно, основным местом, где по-прежнему будут применять ИС малой и средней степени интеграции, особенно в корпусах 01Р будут учебные лаборатории. Эти схемы предоставляют студентам благоприятную возможность приобрести опыт черновой работы по макетированию простых схем точно таким же образом, как это делали их преподаватели много лет назад.

Однако к моему огромному удивлению и восторгу, в промышленности, производящей ИС, в последние несколько лет возникло направление по выпуску ИС с меньшим уровнем интеграции, чем у МИС. Идея состоит в том, чтобы выпустить на рынок отдельные логические схемы в очень маленьких корпусах.

Такие устройства реализуют простые функции, которые иногда бывает нужно выполнить для сопряжения компонентов большей степени интеграции при решении какой-то частной задачи. В некоторых случаях их применяют для того, чтобы преодолеть ошибки в компонентах большей степени интеграции или в их интерфейсах. Примером такой ИС является схема 74УНС! ООО фирмы Могого1а.

Этот кристалл представляет собой двухвходовую логическую схему И-НЕ, помещенную в корпус с 5 выводами (питание, земля, два входа и один выход). Размеры всего корпуса, включая выводы, составляют лишь 0.08 дюйма в плоскости (сторона квадрата) и 0.04 дюйма в высоту! Это то, что я назвал бы «очень малой степенью интеграции»! СТАНДАРТНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ При проектировании цифровых устройств все чаще возникает нужда в стандартных функциях «высокого уровня», которые выполнялись бы готовыми структурными блоками.

В свое время этн функции первоначально были реализованы в МИС. Затем последовательно они становились компонентами «макро» библиотек при разработке специализированных ИС, «стандартными ячейками» при проектировании СВИС, «заготовками» функций для языков программирования ПЛУ и библиотечными функциями в языках описания схем типа УН111..

В этой книге стандартные логические функции появляются в главах 5 н 8 в виде МИС серии 74, а также в виде текста на языке описания схем. Содержащиеся там обсуждение и примеры должны помочь вам понять, о чем идет речь, и послужить основой для использования этих функций в той или иной форме. т.г. Програвлммруемыелогмческиеуотройетва 37 Граница между БИС и сверхбсиьшими интегральными схемами (СБИС; чесу (агяе-левее тгейгайоп, (гБЯ) расплывчата н часто ее выражают числом транзисторов, а не числом вентилей.

Любая ИС с числом транзисторов более ! 000 000 принадлежит семейству СБИС; сверхбольшими ИС являются в наши дни большинство микропроцессоров и запоминающих устройств, а также большие программируемые логические устройства и заказные ИС.

В ! 999 году разрабатывались СБИС с числом транзисторов, доходящим до 50 миллионов. 1.7. Программируемые логические устройства Существует множество ИС, у которых выполняемая ими логическая функция может быть «запрограммирована» уже после их изготовления. В большинстве случаев такие ИС бывают созданы на основе технологии, допускающей перепрограммирование выполняемой схемой функции, а это означает, что при обнаружении вами ошибки в разрабатываемом проекте можно устранить ее без физической замены ИС и без изменения схемы соединений.

В этой книге мы часто будем ссылаться на предоставляемые возможности с точки зрения проектирования цифровых устройств и нато, как следует воспользоваться этими возможностями. Исторически первыми программируемыми логическими устройствами были программ ируемы е л огич вские матрицы (плм; ргоягаттаые /оя!с агг аут Рь Ал). ПЛМ представляли собой двухуровневую структуру, состоящую из вентилей И и ИЛИ, с программируемыми пользователем соединениями. Используя эту структуру, проектировщик мог приспособить такую ИС к выполнению любой логической функции, не превосходящей определенного уровня сложности, на основе известной теории логического синтеза и минимизации логических схем, которая будет представлена в главе 4.

Конструкция ПЛМ была усовершенствована, а цена на такие ИС снижена с появлением программируемых логических устройств решетчатой структуры (ргоягаттаЫе аггоу 3оячс ~РАЕ) Иелсел). Сегодня общее название таких ИС— программируемые логические устройство (ПЛУ; ргойгаттаЫе !офс йешсеж Р00л) и в иерархии изготовляемых промышленностью программируемых устройств они являются схемами «средней степени интеграции».

Об архитектуре и технологии ПЛУ будет многое сказано в параграфах 5.3 н 8.3, Постоянно растущая емкость интегральных схем предоставляла производителям возможность разрабатывать крупные ПЛУ для построения более сложных цифровых устройств. Однако по техническим причинам, которые мы обсудим в параграфе ! 0.5, основную двухуровневую структуру И-ИЛИ в ПЛУ нельзя было расширить до больших размеров. Вместо этого в промышленности, производящей ИС, произошел переход к архитектуре составных ПЛУ (сотрI«х РЕ0л, СРЕ0в), допускающей расширение до требуемого объема. Типичная ИС типа СРЕО представляет собой совокупность нескольких ПЛУ со структурой соединений между ними, размещенной на том же самом кристалле.

Г!омимо самих ПЛУ, структура соединений в микросхеме также является программируемой, чем обеспечиваются богатые возможности при проектировании. ИС типа СРП) мож- 38 Глава 1. Введение но расширять до больших размеров путем увеличения числа отдельных ПЛУ и за счет развития структуры соединений между ними, размещаемой на кристалле. Примерно в то же время, когда были созданы ИС типа СРЬР, другими производителями ИС был предпринят отличающийся от идеи СРЬ0 подход к проблеме увеличения объема программируемых логических схем. По сравнению с ИС типа СРЬВ решетка вентилей, программируемые е процессе эксплуатации Ч|е1с1- ргояготтаЫе яаге аггауз, ррблз'1содержат много большее число меньших по размерам отдельных логических блоков и имеют развитую распределенную отру ктуру внутренних соединений, которая занимает почти весь кристалл.

Рис.!.б демонстрирует различие между этими двумя конструкциями микросхем. -"::.... ',.6. Лза подхода к увеличению объема программнруемых ло~ических ус:: и". вПв) микросхематипвСРЬ!э;1!э1мнкросхематипвРРОА Сторонники того и другого подходов обычно приводят доводы «религиозного» характера относительно того, какой из принципов лучше, но самый крупный производитель больших программируемых логических устройств фирма Х11!пх, 1пс., считает, что у каждого из этих подходов есть свое место, и производит ИС обоих типов. Более важным, нежели архитектура микросхем, является то обстоятельствоо, что оба подхода поддерживают такой стиль проектирования, который обеспечивает продвижение изделия от первоначальной идеи до опытного образца и серийного производства за очень короткое время. Существенным с точки зрения быстрого появления на рынке изделий на основе ПЛУ всех типов является использование на стадии проектирования языков описания схем.

Такие языки как АВЕЬ и ЧНРЬ и сопровождающие их программные средства позволяют реализовать проект, осуществить синтез и произвести загрузку в ПЛУ и микросхему типа СРЬ1э или РРОА буквально за считанные минуты. Вся мощь структурированных иерархических языков высокого уровня типа ЧНОЬ особенно ярко проявляется в том, что с их помощью можно создавать конструкции из сотен тысяч или миллионов вентилей, предоставляемых самыми большими кристаллами типа СРП) и РРОА. 1.6. СГ1ециализироаанные интегральные схеййы С точки зрения многих разработчиков цифровых устройств самым интересным достижением в технологии ИС является, по-видимому, не постоянный рост объе- 1.8.