Проектирование цифровых устройств с использованием цифровых микросхем малой и средней степени интеграции

Алгоритмическое, логическое и конструкторско-технологическое проектирование операционного автомата. Изучение элементной базы простейших цифровых устройств. Разработка цифрового устройства для упорядочивания двоичных чисел. Синтез принципиальных схем.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью курсового проекта является приобретение студентами практических навыков проектирования цифровых устройств с использованием цифровых микросхем малой и средней степени интеграции.

Работа над курсовым проектом позволяет:

Познакомиться с организацией и основными этапами проектирования;

Научиться анализировать задание на проектирование;

Составлять структурные и функциональные схемы;

Синтезировать рациональные принципиальные схемы;

Познакомиться с элементной базой простейших цифровых устройств;

Получить навыки поиска технической литературы и работы с ней;

Научиться правильно составлять и оформлять конструкторскую документацию, в соответствии с государственными стандартами.

Содержанием курсового проекта является синтез цифрового устройства по заданному алгоритму его функционирования. В процессе проектирования необходимо разработать структурные, функциональные и принципиальные схемы операционного и управляющего блоков устройства. Операционный и управляющий блоки устройства должны быть реализованы на микросхемах серии ТТЛ, ТТЛШ, кроме специально указанных в задании ИС ОЗУ. Задание на проектирование формулируется словесным заданием алгоритма функционирования устройства по вариантам.

1. Разработка общей структурной схемы устройства

Любое сложное цифровое устройство синтезируется в виде совокупности двух устройств операционного и управляющего (рис. 1.1).

Управляющее устройство координирует действия узлов операционного устройства, оно вырабатывает в определенной временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые операции.

2. Синтез операционного автомата

Синтез операционного автомата (ОА) основан не на формализованных, а на так называемых эвристических приемах, требующих элементов изобретательности при выборе необходимого для реализации заданного алгоритма набора типовых функциональных узлов: сумматоров дешифраторов, регистров, счетчиков и т. д.

2.1 Алгоритмическое проектирование ОА

Словесный алгоритм работы устройства

Таким образом, общий алгоритм функционирования устройства можно представить последовательностью реализации режимов представленных на рисунке 2.1.

Далее описывается словесный алгоритм функционирования в каждом из режимов работы устройства.

Алгоритм заполнения ОЗУ1 представлен на рисунке 2.2. Последовательно перебирая все адреса ячеек памяти ОЗУ1, в них записываются числа из внешнего устройства.

Алгоритм сортировки представлен на рисунке 2.3. Последовательно перебирая все адреса ячеек памяти ОЗУ1, сравнивая числа между собой, находится минимальное число и запоминается его адрес. Минимальное число записывается в первую ячейку памяти ОЗУ2.

Алгоритм чтение из ОЗУ2 представлен на рисунке 2.4. Перебирая все адреса ячеек памяти ОЗУ2, находящиеся в них значения считываются и передаются внешнему устройству.

Согласно общему алгоритму функционирования устройства, изложенному в пункте 2, и построенному согласно заданию, можно разработать структурную схему операционного устройства, которая обеспечит реализацию заданных режимов работы.

Основными устройствами, необходимыми для всех режимов работы, является модули оперативной памяти (ОЗУ), осуществляющие запоминание данных, которыми оперирует разрабатываемое устройство.

Для работы во всех режимах нужны устройства, которые последовательно будут перебирать все адреса в модулях ОЗУ, начиная с нулевого и заканчивая максимальным адресом. Эти устройства можно назвать устройствами или блоками формирования адресов.

Для обеспечения правильного считывания и записи данных в необходимые ячейки ОЗУ необходимо устройство, которое хранило бы требуемый адрес модуля ОЗУ. Это устройство хранения адреса минимального числа. При работе в режиме сортировки для сравнения двух чисел нужен компаратор.

Для записи в ячейки памяти числа 256 требуется устройство, выходными данными которого являются единицы.

2.2 Структурное проектирование

На данном этапе необходимо перейти от описания структуры ОУ как совокупности взаимосвязанных «черных ящиков» к представлению структурной схемы с использованием типовых функциональных узлов. А также необходимо получить порядок функционирования узлов во времени, алгоритм на основе микроопераций. Из анализа структуры ОА, выполненной в предыдущем этапе приходим к выводу о необходимости в составе ОА следующих функциональных узлов:

· 2 модуля ОЗУ (RAM1 и RAM2);

· счетчики СТ1 и СТ2, на основе которых реализуются устройства формирования адресов для ОЗУ1 и ОЗУ2;

· регистр RG1, предназначен для хранения минимального числа;

· Вход EDI об объединенный со входами DI схемы по ИЛИ предназначен для формирования единиц

· компаратор для сравнения минимального числа с числами из модуля ОЗУ1;

· регистр RG2, предназначен для хранения адреса минимального числа;

· По заданию окончание процесса фиксируется специальным триггером:

триггер Т1.

Рассмотрим микрооперации, необходимые для реализации работы данного устройства:

В исходном состоянии ОЗУ1 пустая.

Структурная схема ОА приведена на рисунке 2.2.1

Схема алгоритма в терминах микроопераций, соответствующая описанию функционирования данного устройства, приведена на рисунке 2.2.2

Рисунок 2.2.2 Схема заполнения ОЗУ1 в микрооперациях

Рисунок 2.2.3 Схема сортировки

Рисунок 2.2.3 Схема чтения из ОЗУ2

2.3 Логическое проектирование

Этап логического проектирования состоит в разработке функциональных узлов, входящих в структурную схему ОА. Выполняется выбор варианта реализации каждого функционального узла.

Анализ структурной схемы и алгоритма её функционирования позволяет сделать вывод о том, что отдельные её составляющие должны обладать следующими свойствами:

Анализ функционального назначения каждой микрооперации, содержащейся в ГСА (рис.2.2.2, рис 2.2.3, рис 2.2.4), позволяет сформировать микрокоманды и оптимизировать функциональную схему ОА.

Введем следующие микрокоманды:

Y1: y1- обнуление СТ1;

Y2: y2- запись слова в ОЗУ1из внешнего устройства;

Y3: y3-увеличение счетчика СТ1 на 1;

В результате этих рассуждений можно построить ГСА, представленную в терминах микрокоманд и функциональную схему ОА

Синтез функциональной схемы ОА

Функциональная схема ОА должна содержать следующие блоки:

1. Модули ОЗУ. В задании указано, что на вход устройства от источника поступают 8192 слов по 8 разрядов в каждом. Таким образом, модуль памяти должен хранить 8192 чисел, для этого ОЗУ должен иметь log₂8192=13 адресных входов (А0..А12), 8 информационных входов (DI0..DI7), 8 информационных выходов, а, кроме того, вход установки режима чтения или записи (W/R).

6. Устройство формирования единиц можно реализовать с помощью организации входа ED1, который по ИЛИ объединяется со входами DI схемы. Когда на ED1 подается единица, выходы элементов ИЛИ устанавливаются в состояние единиц, ноль на входе ED1 разрешает загрузку данных со входов DI схемы.

7. Устройство сравнения чисел. Данное устройство реализуется на основе компаратора разрядностью 8. Таким образом, оно должно иметь 16 информационных входов (Х0..Х31, У0..У31), подсоединяемых к информационным выходам ОЗУ1 и информационным выходам устройства хранения минимального числа, и 3 информационных выхода (Х>У, Х=У, Х X, Y X, Y X

Источник

Интегральная микросхема

Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2009 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Содержание

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).[1]

Уровни проектирования

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления

Вид обрабатываемого сигнала

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

При изготовлении микросхем используется фотопроцесс, при этом схему формируют на подложке, обычно из диоксида кремния, полученной термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.

В 70-х годах ширина полосы составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм.

В 90-х годах из-за нового витка «войны платформ» экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+,

В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосы около 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню, совершенствуя второстепенные детали. По обычной технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм.

Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,045 мкм. Есть и другие микросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung — 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы 2006 году так и не сбылись.

Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм.

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

Цифровые схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

Аналогово-цифровые схемы

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса микросхем

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.
Бескорпусная микросхема — это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.
Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!
В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в миллиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идентичные корпуса уже несовместимы.
В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.

Специфические названия микросхем

Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров фирма персональные компьютеры).

Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин чипсет.

Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.

См. также

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Интегральная микросхема» в других словарях:

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — см. Интегральная схема … Большой Энциклопедический словарь

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — (integrated circuit) Электронная схема, расположенная на пластинке полупроводникового материала, обычно кремния. Типичные интегральные схемы имеют площадь 1,5 кв. мм при толщине 0,2 мм. Все компоненты схемы – транзисторы, диоды, резисторы и… … Словарь бизнес-терминов

Интегральная микросхема — (далее ИМС) это микроэлектронное изделие окончательной или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которого нераздельно сформированы в объеме и (или) на поверхности материала, на основе… … Официальная терминология

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — (ИМС) микроэлектронное изделие окончательной или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которого нераздельно сформированы в объеме и (или) на поверхности материала, на основе которого… … Юридическая энциклопедия

интегральная микросхема — см. Интегральная схема. * * * ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА, см. Интегральная схема (см. ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА) … Энциклопедический словарь

интегральная микросхема — integrinis grandynas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. integrated circuit; microcircuit vok. integrierte Schaltung, f; integrierter Schaltkreis, m; Mikroschaltung, f rus. интегральная микросхема, f; интегральная схема, f pranc.… … Automatikos terminų žodynas

Интегральная микросхема — микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого (транзисторы, диоды, резисторы и др.) нераздельно объединены (интегрированы) конструктивно, технологически и электрически. Широко используются в радиоэлектронной аппаратуре ракет, систем… … Словарь военных терминов

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — (integrated microcircuit) микроэлектронное изделие окончательной или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которого нераздельно сформированы в объеме и (или) на поверхности … Внешнеэкономический толковый словарь

Интегральная микросхема. — это микроэлектронное изделие окончательной или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которого нераздельно сформированы в объеме и (или) на поверхности материала, на основе которого… … Словарь юридических понятий

МИКРОСХЕМА ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА — МИКРОСХЕМА, ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА микроминиатюрное электронное устройство, элементы которого (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.) изготовлены в едином технологическом цикле на общей подложке (кристалле) и неразрывно связаны между … Юридическая энциклопедия

Источник