Цифровая электроника - Digital electronics

Цифровая электроника
А цифровой сигнал имеет две или более различимых формы сигнала, в данном примере высокое напряжение и низкое напряжение, каждая из которых может быть отображена на цифру.
Промышленный цифровой контроллер

Цифровая электроника это область электроника включая изучение цифровые сигналы и разработка устройств, которые их используют или производят. Это в отличие от аналоговая электроника и аналоговые сигналы.

Цифровой электронные схемы обычно изготавливаются из больших сборок логические ворота, часто упаковывается в интегральные схемы. Сложные устройства могут иметь простые электронные представления Функции булевой логики.[1]

История

В двоичная система счисления был усовершенствован Готфрид Вильгельм Лейбниц (опубликовано в 1705 году), и он также установил, что, используя двоичную систему, можно объединить принципы арифметики и логики. Цифровая логика, как мы ее знаем, была детищем Джордж Буль в середине 19 века. В письме 1886 г. Чарльз Сандерс Пирс описал, как логические операции могут выполняться электрическими схемами переключения.[2] В итоге, вакуумные трубки заменены реле для логических операций. Ли Де Форест модификация 1907 г. Клапан Флеминга может использоваться как И ворота. Людвиг Витгенштейн представила версию с 16-рядным таблица истинности как предложение 5.101 Логико-философский трактат (1921). Вальтер Боте, изобретатель схема совпадений, разделила 1954 г. Нобелевская премия в области физики для первого современного электронного логического элемента И в 1924 году.

Механический аналоговые компьютеры начали появляться в первом веке и позже использовались в средневековую эпоху для астрономических расчетов. В Вторая Мировая Война механические аналоговые компьютеры использовались для специализированных военных приложений, таких как расчет наведения торпед. За это время появились первые электронные цифровой были разработаны компьютеры. Первоначально они были размером с большую комнату и потребляли столько же энергии, сколько несколько сотен современных персональные компьютеры (ПК).[3]

В Z3 был электромеханический компьютер разработано Конрад Зузе. Законченный в 1941 году, это был первый в мире рабочий программируемый, полностью автоматический цифровой компьютер.[4] Этому способствовало изобретение вакуумной лампы в 1904 году. Джон Амброуз Флеминг.

В то же время, когда цифровые вычисления заменили аналоговые, чисто Электронная схема элементы вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты. Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрел точечный транзистор в Bell Labs в 1947 г., затем Уильям Шокли изобретая биполярный переходной транзистор в Bell Labs в 1948 году.[5][6]

На Манчестерский университет, команда под руководством Том Килберн спроектировал и построил машину с использованием недавно разработанных транзисторы вместо электронных ламп.[7] Их первый транзисторный компьютер и первым в мире был к 1953 г., и вторая версия была завершена там в апреле 1955 года. С 1955 года транзисторы заменили электронные лампы в компьютерных конструкциях, что привело к появлению компьютеров «второго поколения». По сравнению с электронными лампами транзисторы были меньше, более надежны, имели неограниченный срок службы и требовали меньше энергии, чем электронные лампы, тем самым выделяя меньше тепла и позволяя гораздо более плотную концентрацию схем, до десятков тысяч в относительно компактном пространстве.

Во время работы в Инструменты Техаса в июле 1958 г., Джек Килби записал свои первоначальные идеи относительно Интегральная схема (IC), а затем успешно продемонстрировал первый рабочий интегрированный 12 сентября 1958 года.[8] Чип Килби был сделан из германий. В следующем году, Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor изобрел кремний Интегральная схема. Основой кремниевой ИС Нойса был планарный процесс, разработанный в начале 1959 г. Жан Хорни, который, в свою очередь, строил Мохамед Аталла с кремниевая пассивация поверхности Метод разработан в 1957 г.[9] Эта новая технология, интегральная схема, позволила быстро и недорого изготавливать сложные схемы, имея набор электронные схемы на одной небольшой пластине («фишке») полупроводниковый материал, обычно кремний.

Цифровая революция и цифровой век

Дальнейшая информация: Цифровая революция и Цифровой век

В полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (MOSFET), также известный как MOS-транзистор, был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году.[10][11][12] Преимущества MOSFET включают: высокая масштабируемость,[13] доступность,[14] низкое энергопотребление и высокое плотность транзисторов.[15] Его быстрое включение-выключение электронное переключение скорость также делает его идеальным для создания импульсные поезда,[16] основа для электронных цифровые сигналы,[17][18] в отличие от BJT, которые медленнее генерируют аналоговые сигналы напоминающий синусоидальные волны.[16] Вместе с MOS крупномасштабная интеграция (LSI), эти факторы делают MOSFET важным переключающим устройством для цифровые схемы.[19] MOSFET произвел революцию в электронная промышленность,[20][21] и это самый распространенный полупроводниковый прибор.[11][22] МОП-транзисторы являются фундаментальными строительными блоками цифровой электроники во время Цифровая революция конца 20 - начала 21 вв.[12][23][24] Это проложило путь к Цифровой век начала 21 века.[12]

В первые дни интегральные схемы каждый чип был ограничен всего несколькими транзисторами, а низкая степень интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым. Урожайность обрабатывающей промышленности также была довольно низкой по сегодняшним меркам. Широкое распространение MOSFET-транзистора к началу 1970-х годов привело к появлению первых крупномасштабная интеграция (LSI) микросхемы с более чем 10 000 транзисторов на одном кристалле.[25] После широкого внедрения CMOS, тип логики MOSFET, к 1980-м годам миллионы, а затем и миллиарды MOSFET могли быть размещены на одном кристалле по мере развития технологий,[26] а хороший дизайн требовал тщательного планирования, что привело к новые методы проектирования. В количество транзисторов как отдельных устройств, так и общего производства достигли беспрецедентных высот. Общее количество транзисторов, выпущенных до 2018 года, оценивается в 1.3×1022 (13 секстиллион ).[27]

В беспроводная революция, внедрение и распространение беспроводные сети, началось в 1990-х годах и стало возможным благодаря широкому внедрению MOSFET-транзисторов. Усилители мощности RF (силовой MOSFET и LDMOS ) и ВЧ схемы (RF CMOS ).[28][29][30] Беспроводные сети позволили осуществлять цифровую передачу в общественных местах без необходимости в кабелях, что привело к цифровое телевидение (цифровое ТВ), GPS, спутниковое радио, беспроводной интернет и мобильные телефоны через 1990–2000-е гг.

Дискретное косинусное преобразование (DCT) кодирование, a Сжатие данных метод, впервые предложенный Насир Ахмед в 1972 г.,[31] позволил практическим цифровые СМИ коробка передач,[32][33][34] с сжатие изображений форматы, такие как JPEG (1992), форматы кодирования видео Такие как H.26x (С 1988 г.) и MPEG (С 1993 г.),[35] стандарты кодирования звука Такие как Dolby Digital (1991)[36][37] и MP3 (1994),[35] и стандарты цифрового телевидения, такие как видео по запросу (VOD)[32] и телевидение высокой четкости (HDTV).[38] Интернет-видео был популяризирован YouTube, онлайн-платформа для видео основан Чад Херли, Джавед Карим и Стив Чен в 2005 г., что позволило видео трансляция из MPEG-4 AVC (H.264) контент, создаваемый пользователями из любой точки Всемирная паутина.[39]

Характеристики

Преимущество цифровых схем по сравнению с аналоговыми схемами состоит в том, что сигналы, представленные в цифровом виде, могут передаваться без ухудшения качества, вызванного шум.[40] Например, непрерывный аудиосигнал, передаваемый как последовательность единиц и нулей, может быть восстановлен без ошибок, при условии, что шум, полученный при передаче, недостаточен для предотвращения идентификации единиц и нулей.

В цифровой системе более точное представление сигнала можно получить, используя большее количество двоичных цифр для его представления. Хотя для обработки сигналов требуется больше цифровых схем, каждая цифра обрабатывается одним и тем же оборудованием, что позволяет легко масштабируемый система. В аналоговой системе дополнительное разрешение требует фундаментальных улучшений линейности и шумовых характеристик каждого шага сигнальная цепь.

Цифровые системы с компьютерным управлением позволяют добавлять новые функции путем пересмотра программного обеспечения и без изменения оборудования. Часто это можно сделать за пределами завода, обновив программное обеспечение продукта. Таким образом, ошибки дизайна продукта могут быть исправлены после того, как продукт окажется в руках покупателя.

Хранение информации в цифровых системах может быть проще, чем в аналоговых. Помехоустойчивость цифровых систем позволяет сохранять и извлекать данные без ухудшения качества. В аналоговой системе шум от старения и износа ухудшает хранимую информацию. В цифровой системе, если общий шум ниже определенного уровня, информация может быть полностью восстановлена. Даже когда присутствует более значительный шум, использование избыточность позволяет восстановить исходные данные, если не произойдет слишком много ошибок.

В некоторых случаях цифровые схемы используют больше энергии, чем аналоговые схемы, для выполнения тех же задач, таким образом выделяя больше тепла, что увеличивает сложность схем, таких как включение радиаторов. В портативных системах или системах с батарейным питанием это может ограничивать использование цифровых систем. Например, сотовые телефоны с батарейным питанием часто используют маломощный аналоговый интерфейс для усилить и настраивать в радиосигналах от базовой станции. Однако базовая станция имеет сетевое питание и может использовать энергоемкие, но очень гибкие программное обеспечение радио. Такие базовые станции можно легко перепрограммировать для обработки сигналов, используемых в новых стандартах сотовой связи.

Многие полезные цифровые системы должны преобразовывать непрерывные аналоговые сигналы в дискретные цифровые сигналы. Это вызывает ошибки квантования. Ошибка квантования может быть уменьшена, если система хранит достаточно цифровых данных для представления сигнала в желаемой степени верность. В Теорема выборки Найквиста – Шеннона предоставляет важные рекомендации относительно того, сколько цифровых данных необходимо для точного отображения данного аналогового сигнала.

В некоторых системах, если одна часть цифровых данных потеряна или неправильно истолкована, значение больших блоков связанных данных может полностью измениться. Например, однобитовая ошибка в аудиоданных, хранящихся непосредственно как линейная импульсная кодовая модуляция вызывает, в худшем случае, один щелчок. Вместо этого многие люди используют сжатие звука для экономии места на диске и времени загрузки, даже если одна битовая ошибка может вызвать большие нарушения.

Из-за эффект обрыва, пользователям может быть сложно определить, находится ли конкретная система на грани отказа или может ли она выдержать гораздо больше шума, прежде чем выйдет из строя. Хрупкость цифровых технологий можно уменьшить, создав цифровую систему, обеспечивающую надежность. Например, бит четности или другой метод управления ошибками может быть вставлен в тракт прохождения сигнала. Эти схемы помогают системе обнаруживать ошибки, а затем либо исправьте ошибки, или запросить повторную передачу данных.

Строительство

А двоичные часы, с ручной проводкой на макеты

Цифровая схема обычно состоит из небольших электронных схем, называемых логические ворота которые можно использовать для создания комбинационная логика. Каждый логический вентиль предназначен для выполнения функции логическая логика при воздействии на логические сигналы. Логический вентиль обычно создается из одного или нескольких электрически управляемых переключателей, обычно транзисторы но термоэмиссионные клапаны видели историческое использование. Выход логического элемента может, в свою очередь, управлять или подавать на другие логические элементы.

Другая форма цифровой схемы состоит из справочных таблиц (многие из них продаются как "программируемые логические устройства ", хотя существуют и другие типы PLD). Таблицы поиска могут выполнять те же функции, что и машины, основанные на логических вентилях, но их можно легко перепрограммировать без изменения проводки. Это означает, что разработчик часто может исправить ошибки конструкции, не меняя расположение проводов. Таким образом, в небольших объемах продукции программируемые логические устройства часто являются предпочтительным решением. Они обычно разрабатываются инженерами с использованием программного обеспечения для автоматизации электронного проектирования.

Интегральные схемы состоят из нескольких транзисторов на одном кремниевом кристалле и являются наименее дорогостоящим способом сделать большое количество взаимосвязанных логических вентилей. Интегральные схемы обычно соединяются между собой печатная плата которая представляет собой плату, на которой находятся электрические компоненты и соединяются их вместе медными дорожками.

Дизайн

Инженеры используют множество методов, чтобы минимизировать логическая избыточность для уменьшения сложности схемы. Сниженная сложность снижает количество компонентов и количество потенциальных ошибок и, следовательно, обычно снижает затраты. Логическая избыточность может быть устранена несколькими хорошо известными методами, такими как диаграммы бинарных решений, Булева алгебра, Карты Карно, то Алгоритм Куайна – Маккласки, а эвристический компьютерный метод. Эти операции обычно выполняются в системы автоматизированного проектирования система.

Встроенные системы с микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры часто используются для реализации цифровой логики для сложных систем, не требующих оптимальной производительности. Эти системы обычно программируются программисты или электриками, используя лестничная логика.

Представление

Представления имеют решающее значение для проектирования цифровых схем инженера. Чтобы выбрать представления, инженеры рассматривают типы цифровых систем.

Классический способ представления цифровой схемы - это эквивалентный набор логические ворота. Каждый логический символ представлен отдельной формой. Фактический набор форм был представлен в 1984 году в соответствии со стандартом IEEE / ANSI 91-1984 и в настоящее время широко используется производителями интегральных схем.[41] Другой способ - построить эквивалентную систему электронных переключателей (обычно транзисторы ). Это можно представить как таблица истинности.

Большинство цифровых систем делятся на комбинационный и последовательные системы. Комбинационная система всегда дает один и тот же результат при одинаковых входах. Последовательная система - это комбинационная система, в которой некоторые выходы возвращаются как входы. Это заставляет цифровую машину выполнять последовательность операций. Самая простая последовательная система, вероятно, резкий поворот, механизм, который представляет собой двоичный цифра или же "кусочек ". Последовательные системы часто проектируются как государственные машины. Таким образом, инженеры могут спроектировать общее поведение системы и даже протестировать его в моделировании, не учитывая всех деталей логических функций.

Последовательные системы делятся на две дополнительные подкатегории. «Синхронные» последовательные системы изменить состояние сразу, когда тактовый сигнал меняет состояние. «Асинхронные» последовательные системы распространять изменения при изменении входов. Синхронные последовательные системы состоят из хорошо охарактеризованных асинхронных схем, таких как триггеры, которые изменяются только при изменении тактовых импульсов, и которые имеют тщательно спроектированные пределы синхронизации.

За логическое моделирование, представления цифровых схем имеют цифровые форматы файлов, которые могут обрабатываться компьютерными программами.

Синхронные системы

4-битный счетчик звонков с использованием триггеров D-типа является примером синхронной логики. Каждое устройство подключено к тактовому сигналу и обновляется вместе.
Основная статья: синхронная логика

Обычный способ реализации синхронного последовательного конечного автомата - разделить его на часть комбинационной логики и набор триггеров, называемых государственный реестр. Регистр состояний представляет состояние в виде двоичного числа. Комбинационная логика создает двоичное представление для следующего состояния. В каждом тактовом цикле регистр состояний фиксирует обратную связь, сгенерированную из предыдущего состояния комбинационной логики, и возвращает ее как неизменный вход в комбинационную часть конечного автомата. Тактовая частота ограничена наиболее трудоемкими логическими вычислениями в комбинационной логике.

Асинхронные системы

Большая часть цифровой логики является синхронной, потому что легче создать и проверить синхронный проект. Однако преимущество асинхронной логики состоит в том, что ее скорость не ограничивается произвольными часами; вместо этого он работает на максимальной скорости своих логических вентилей.[а] Построение асинхронной системы с использованием более быстрых компонентов делает схему быстрее.

Тем не менее, большинству систем необходимо принимать внешние несинхронизированные сигналы в свои синхронные логические схемы. Этот интерфейс по своей сути асинхронен и должен анализироваться как таковой. Примеры широко используемых асинхронных схем включают триггеры синхронизатора, переключатель дебаунтеры и арбитры.

Компоненты асинхронной логики сложно спроектировать, потому что необходимо учитывать все возможные состояния во все возможные моменты времени. Обычный метод - построить таблицу минимального и максимального времени, в течение которого каждое такое состояние может существовать, а затем настроить схему, чтобы минимизировать количество таких состояний. Разработчик должен заставить схему периодически ждать, пока все ее части войдут в совместимое состояние (это называется «самосинхронизация»). Без тщательного проектирования легко случайно создать нестабильную асинхронную логику, то есть реальная электроника будет давать непредсказуемые результаты из-за кумулятивных задержек, вызванных небольшими отклонениями в значениях электронных компонентов.

Зарегистрировать системы переводов

Пример простой схемы с переключаемым выходом. Инвертор образует комбинационная логика в этой схеме, и регистр хранит состояние.

Многие цифровые системы машины потока данных. Обычно они создаются с использованием синхронных логика передачи регистров, с помощью языки описания оборудования Такие как VHDL или же Verilog.

В логике передачи регистров двоичные числа хранятся в группах триггеров, называемых регистры. Последовательный конечный автомат контролирует, когда каждый регистр принимает новые данные со своего входа. Выходы каждого регистра представляют собой пучок проводов, называемый автобус который переносит это число в другие вычисления. Вычисление - это просто часть комбинационной логики. Каждое вычисление также имеет выходную шину, и они могут быть подключены к входам нескольких регистров. Иногда в реестре будет мультиплексор на его входе, так что он может хранить номер с любого из нескольких автобусов.[b]

Асинхронные системы передачи регистров (например, компьютеры) имеют общее решение. В 1980-х годах некоторые исследователи обнаружили, что почти все синхронные машины с регистровой передачей можно преобразовать в асинхронные схемы с помощью логики синхронизации «первым пришел - первым обслужен». В этой схеме цифровая машина характеризуется как набор потоков данных. На каждом шаге потока схема синхронизации определяет, когда выходы этого шага действительны, и инструктирует следующую стадию, когда использовать эти выходы.[нужна цитата ]

Компьютерный дизайн

Intel 80486DX2 микропроцессор

Самая универсальная логическая машина с переносом регистров - это компьютер. Это в основном автоматический двоичный счеты. В устройство управления компьютера обычно проектируется как микропрограмма управляется микросеквенсор. Микропрограмма очень похожа на пианино. Каждая запись в таблице микропрограммы управляет состоянием каждого бита, который управляет компьютером. Затем секвенсор считает, и счет обращается к памяти или машине комбинационной логики, которая содержит микропрограмму. Биты микропрограммы управляют арифметико-логическое устройство, объем памяти и другие части компьютера, включая сам микросеквенсор. Таким образом, сложная задача разработки средств управления компьютером сводится к более простой задаче программирования набора гораздо более простых логических машин.

Почти все компьютеры синхронны. Однако многочисленные верные асинхронные компьютеры также были построены. Одним из примеров является Aspida. DLX основной.[43] Другой был предложен ARM Holdings. Преимущества в скорости не материализовались, потому что современные компьютерные разработки уже работают со скоростью своего самого медленного компонента, обычно памяти. Они действительно потребляют немного меньше энергии, потому что сеть распределения часов не нужна. Неожиданным преимуществом является то, что асинхронные компьютеры не производят чисто спектральный радиошум, поэтому они используются в некоторых контроллерах базовых станций мобильных телефонов. Они могут быть более безопасными в криптографических приложениях, поскольку их электрические и радиоизлучения труднее декодировать.[44]

Компьютерная архитектура

Компьютерная архитектура это специализированная инженерная деятельность, которая пытается организовать регистры, вычислительную логику, шины и другие части компьютера наилучшим образом для некоторых целей. Компьютерные архитекторы применили большое количество изобретательности к компьютерному дизайну, чтобы снизить стоимость, повысить скорость и невосприимчивость к ошибкам программирования компьютеров. Все более распространенной целью является снижение мощности, используемой в компьютерной системе с батарейным питанием, такой как мобильный телефон. Многие компьютерные архитекторы проходят длительное обучение в качестве микропрограммистов.

Проблемы проектирования в цифровых схемах

Цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов. Дизайн должен гарантировать, что аналоговая природа компонентов не будет доминировать над желаемым цифровым поведением. Цифровые системы должны управлять запасами по шуму и синхронизации, паразитными индуктивностями и емкостями, а также фильтр силовые соединения.

Плохие конструкции имеют периодически возникающие проблемы, такие как «сбои», исчезающе быстрые импульсы, которые могут запускать одни логические схемы, но не другие »,короткие импульсы «которые не достигают допустимого« порогового »напряжения или неожиданные (« недекодированные ») комбинации логических состояний.

Кроме того, если синхронизированные цифровые системы взаимодействуют с аналоговыми системами или системами, которые работают от других часов, цифровая система может подвергаться метастабильность где изменение входа нарушает время настройки защелки цифрового входа. Эта ситуация разрешится самостоятельно, но займет случайное время, и, пока она сохраняется, это может привести к тому, что недействительные сигналы будут распространяться в цифровой системе в течение короткого времени.

Поскольку цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов, цифровые схемы вычисляют медленнее, чем аналоговые схемы с низкой точностью, которые используют такое же пространство и мощность. Однако цифровая схема будет производить вычисления с большей повторяемостью из-за ее высокой помехоустойчивости. С другой стороны, в области высокой точности (например, где требуется 14 или более битов точности) аналоговым схемам требуется гораздо больше мощности и площади, чем цифровым эквивалентам.

Инструменты автоматизированного проектирования

Чтобы сэкономить дорогостоящие инженерные работы, большая часть усилий по проектированию больших логических машин была автоматизирована. Компьютерные программы называются "автоматизация проектирования электроники инструменты »или просто« EDA ».

Описание логики в виде простых таблиц истинности часто оптимизируется с помощью EDA, который автоматически создает сокращенные системы логических вентилей или меньшие таблицы поиска, которые по-прежнему дают желаемые результаты. Самый распространенный пример такого программного обеспечения - это Минимизатор эвристической логики эспрессо.

Наиболее практичные алгоритмы для оптимизации использования больших логических систем алгебраические манипуляции или же диаграммы бинарных решений, и есть многообещающие эксперименты с генетические алгоритмы и оптимизация отжига.

Чтобы автоматизировать дорогостоящие инженерные процессы, некоторые EDA могут потребовать таблицы состояний которые описывают государственные машины и автоматически создает таблицу истинности или таблица функций для комбинационная логика государственной машины. Таблица состояний - это фрагмент текста, в котором перечислены все состояния вместе с условиями, контролирующими переходы между ними и соответствующими выходными сигналами.

Таблицы функций таких автоматов, генерируемых компьютером, обычно оптимизируются с помощью программного обеспечения для минимизации логики, такого как Минилог.

Часто реальные логические системы представляют собой серию подпроектов, которые объединяются с помощью «потока инструментов». Поток инструментов обычно представляет собой «сценарий», упрощенный компьютерный язык, который может вызывать инструменты разработки программного обеспечения в правильном порядке.

Потоки инструментов для больших логических систем, таких как микропроцессоры может состоять из тысяч команд и объединять работу сотен инженеров.

Написание и отладка потоков инструментов - это устоявшаяся инженерная специальность в компаниях, производящих цифровые проекты. Поток инструментов обычно заканчивается подробным компьютерным файлом или набором файлов, которые описывают, как физически построить логику. Часто он состоит из инструкций по рисованию транзисторы и провода на интегральной схеме или печатная плата.

Части потоков инструментов «отлаживаются» путем проверки выходных данных смоделированной логики с ожидаемыми входными данными. Инструменты тестирования берут компьютерные файлы с наборами входных и выходных данных и выделяют расхождения между моделируемым поведением и ожидаемым поведением.

После того, как входные данные считаются правильными, сам проект все равно должен быть проверен на правильность. Некоторые потоки инструментов проверяют проекты, сначала создавая дизайн, а затем просматривая проект для получения совместимых входных данных для потока инструментов. Если отсканированные данные совпадают с входными данными, то, вероятно, в потоке инструмента не было ошибок.

Данные функциональной проверки обычно называют «тестовыми векторами». Векторы функционального тестирования могут быть сохранены и использованы на заводе для проверки правильности работы созданной логики. Однако функциональные тестовые образцы не обнаруживают типичных производственных ошибок. Производственные испытания часто проводятся с помощью программных средств, называемых "генераторы тестовых шаблонов ". Они генерируют тестовые векторы, исследуя структуру логики и систематически генерируя тесты для конкретных ошибок. Таким образом покрытие неисправностей может приближаться к 100%, при условии, что проект правильно сделан тестируемым (см. следующий раздел).

После того, как проект существует, проверяется и тестируется, его часто необходимо переработать, чтобы его можно было производить. Современные интегральные схемы имеют характеристики меньше длины волны света, используемого для экспонирования фоторезиста. Программное обеспечение для повышения технологичности добавляет интерференционные узоры к маскам экспонирования, чтобы устранить разомкнутые цепи и улучшить контраст масок.

Дизайн для проверки

Есть несколько причин для тестирования логической схемы. При первой разработке схемы необходимо убедиться, что схема соответствует требуемым функциональным и временным характеристикам. Когда производится несколько копий правильно спроектированной схемы, важно тестировать каждую копию, чтобы убедиться, что производственный процесс не привнес каких-либо недостатков.[45]

Большая логическая машина (скажем, с более чем сотней логических переменных) может иметь астрономическое количество возможных состояний. Очевидно, что на фабрике тестирование каждого состояния нецелесообразно, если проверка каждого состояния занимает микросекунду, а состояний больше, чем количество микросекунд с момента возникновения Вселенной. Этот нелепо звучащий случай типичен.

Большие логические машины почти всегда проектируются как сборки меньших логических машин. Чтобы сэкономить время, меньшие подмашины изолированы стационарно установленной схемой, предназначенной для тестирования, и испытываются независимо.

Одна распространенная схема тестирования, известная как «проектирование сканирования», перемещает тестовые биты последовательно (один за другим) от внешнего тестового оборудования через один или несколько последовательных регистры сдвига известное как «сканирование цепочек». Последовательное сканирование имеет только один или два провода для передачи данных и минимизирует физический размер и стоимость редко используемой логики тестирования.

После того, как все биты тестовых данных установлены, конструкция переконфигурируется для работы в «нормальном режиме» и применяется один или несколько тактовых импульсов для проверки на наличие неисправностей (например, застревание на низком уровне или застревание на высоком уровне) и захвата теста. приводят к триггерам и / или защелкам в регистрах сдвига сканирования. Наконец, результат теста смещается к границе блока и сравнивается с прогнозируемым результатом «хорошая машина».

В среде тестирования платы последовательное-параллельное тестирование было формализовано с помощью стандарта, называемого "JTAG "(названный в честь" Joint Test Action Group ", которая его сделала).

Другая распространенная схема тестирования предусматривает режим тестирования, который заставляет некоторую часть логической машины войти в «цикл тестирования». В испытательном цикле обычно проверяются большие независимые части машины.

Компромиссы

Несколько цифр определяют практичность системы цифровой логики: стоимость, надежность, разветвление и скорость. Инженеры исследовали множество электронных устройств, чтобы получить благоприятное сочетание этих качеств.

Расходы

Стоимость логических вентилей имеет решающее значение, в первую очередь потому, что для создания компьютера или другой продвинутой цифровой системы требуется очень много вентилей, и потому, что чем больше вентилей может быть использовано, тем более способным и / или более ответственным может стать машина. Поскольку основная часть цифрового компьютера представляет собой просто взаимосвязанную сеть логических вентилей, общая стоимость создания компьютера сильно коррелирует с ценой на логический вентиль. В 1930-х годах первые цифровые логические системы были построены из телефонных реле, поскольку они были недорогими и относительно надежными. После этого инженеры-электрики всегда использовали самые дешевые доступные электронные переключатели, которые все еще могли соответствовать требованиям.

Первые интегральные схемы оказались счастливой случайностью. Они были сконструированы не для экономии денег, а для экономии веса и обеспечения возможности Компьютер наведения Apollo контролировать инерциальная система наведения для космического корабля. Первые логические вентили на интегральных схемах стоили почти 50 долларов (в долларах 1960 года, когда инженер зарабатывал 10 000 долларов в год). К большому удивлению многих участников, к тому времени, когда схемы начали массовое производство, они стали наименее дорогим методом построения цифровой логики. Усовершенствования в этой технологии привели к дальнейшему снижению стоимости.

С ростом интегральные схемы сокращение абсолютного количества используемых микросхем представляет собой еще один способ экономии средств. Задача дизайнера - не просто создать простейшую схему, но и вести обратный отсчет компонентов. Иногда это приводит к более сложным конструкциям по отношению к базовой цифровой логике, но тем не менее уменьшает количество компонентов, размер платы и даже энергопотребление. Основным мотивом для уменьшения количества компонентов на печатных платах является уменьшение количества производственных дефектов и повышение надежности, поскольку каждое паяное соединение является потенциально плохим, поэтому количество дефектов и отказов имеет тенденцию увеличиваться вместе с общим количеством выводов компонентов.

Например, в некоторых логических семействах Ворота NAND самые простые в изготовлении цифровые ворота. Все остальные логические операции могут быть реализованы шлюзами NAND. Если для схемы уже требуется один вентиль И-НЕ, а на одном кристалле обычно имеется четыре логических элемента И-НЕ, то оставшиеся вентили можно использовать для реализации других логических операций, таких как логичный и. Это могло бы устранить необходимость в отдельной микросхеме, содержащей эти разные типы вентилей.

Надежность

«Надежность» логического элемента описывает его среднее время наработки на отказ (MTBF). Цифровые машины часто имеют миллионы логических вентилей. Кроме того, большинство цифровых машин «оптимизированы» для снижения их стоимости. В результате часто выход из строя одного логического элемента приводит к прекращению работы цифровой машины. Можно спроектировать машины, которые будут более надежными, используя избыточную логику, которая не будет работать со сбоями в результате отказа любого единственного вентиля (или даже любых двух, трех или четырех ворот), но это обязательно влечет за собой использование большего количества компонентов, что увеличивает финансовые затраты, а также обычно увеличивает вес машины и может увеличить потребляемую мощность.

Цифровые машины впервые стали полезными, когда среднее время безотказной работы коммутатора превысило несколько сотен часов. Несмотря на это, у многих из этих машин были сложные, хорошо отрепетированные процедуры ремонта, и они не работали в течение нескольких часов, потому что перегорела лампа или моль застряла в реле. Современные транзисторные логические элементы на интегральных схемах имеют среднее время безотказной работы более 82 миллиардов часов (8,2 · 1010 часы),[46] и нуждаются в них, потому что у них так много логических ворот.

Fanout

Fanout описывает, сколько логических входов может управляться одним логическим выходом без превышения номинального электрического тока выходов затвора.[47] Минимальное практическое разветвление - около пяти. Современные электронные логические вентили с использованием CMOS транзисторы для переключателей имеют разветвления около пятидесяти, а иногда могут быть намного выше.

Скорость

«Скорость переключения» описывает, сколько раз в секунду инвертор (электронное представление функции «логическое не») может переключаться с истины на ложь и обратно. Более быстрая логика позволяет выполнять больше операций за меньшее время. Цифровая логика впервые стала полезной, когда скорость переключения превысила 50Гц, потому что это было быстрее, чем команда людей, работающая на механических калькуляторах. Современная электронная цифровая логика обычно переключается на 5ГГц (5 · 109 Гц), а некоторые лабораторные системы переключаются более чем на 1ТГц (1 · 1012 Гц)[нужна цитата ].

Семейства логики

Основная статья: Семья логики

Дизайн начался с реле. Релейная логика была относительно недорогой и надежной, но медленной. Иногда происходил механический отказ. Количество разветвлений обычно составляло около 10, что ограничивалось сопротивлением катушек и возникновением дуги на контактах из-за высокого напряжения.

Потом, вакуумные трубки были использованы. Они были очень быстрыми, но выделяли тепло и были ненадежными, потому что нити перегорали. Фэнауты обычно были 5 ... 7, ограниченные нагревом от тока ламп. В 1950-х годах были разработаны специальные «компьютерные лампы» с нитями, в которых не использовались летучие элементы, такие как кремний. Они работали сотни тысяч часов.

Первый полупроводник логическая семья была резисторно-транзисторная логика. Он был в тысячу раз надежнее ламп, работал холоднее и потреблял меньше энергии, но имел очень низкий фан-ин из 3. Диодно-транзисторная логика увеличил разветвление примерно до 7 и снизил мощность. Некоторые конструкции DTL использовали два источника питания с чередующимися слоями транзисторов NPN и PNP для увеличения разветвления.

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) было большим улучшением по сравнению с ними. В ранних устройствах разветвление увеличивалось до 10, а в более поздних вариантах надежно достигало 20. TTL также был быстрым, с некоторыми вариациями, достигающими времени переключения до 20 нс. TTL все еще используется в некоторых проектах.

Эмиттерная логика очень быстро, но потребляет много энергии. Он широко использовался для высокопроизводительных компьютеров, состоящих из множества компонентов среднего размера (таких как Иллиак IV ).

Безусловно, наиболее распространенные сегодня цифровые интегральные схемы используют CMOS логика, который быстр, предлагает высокую плотность схемы и низкую мощность на затвор. Это используется даже в больших быстрых компьютерах, таких как IBM System z.

Последние достижения

В 2009 году исследователи обнаружили, что мемристоры может реализовать хранилище логических состояний (аналогично резкий поворот, значение и логично инверсия ), предоставляя полное семейство логики с очень небольшим объемом и мощностью, используя знакомые полупроводниковые технологии CMOS.[48]

Открытие сверхпроводимость позволил разработать быстрый квант одиночного потока (RSFQ) схемотехника, использующая Джозефсоновские переходы вместо транзисторов. В последнее время делаются попытки построить чисто оптические вычисления системы, способные обрабатывать цифровую информацию с использованием нелинейный оптические элементы.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Примером раннего асинхронного цифрового компьютера был Jaincomp-B1, произведенный компанией Jacobs Instrument Company в 1951 году, который обеспечивал чрезвычайно высокую тактовую частоту и обеспечивал производительность от миниатюрного лампового блока размером 110 фунтов и 300 фунтов, конкурирующего с типичным компьютеры размером с комнату.[42]
  2. ^ Как вариант, выходы нескольких элементов могут быть подключены к шине через буферы который может выключить вывод всех устройств, кроме одного.

Рекомендации

  1. ^ Null, Линда; Лобур, Юлия (2006). Основы организации и архитектуры компьютера. Издательство "Джонс и Бартлетт". п.121. ISBN  978-0-7637-3769-6. Мы можем построить логические диаграммы (которые, в свою очередь, приводят к цифровым схемам) для любого логического выражения ...
  2. ^ Пирс, С.С., "Письмо Пирса к А. Маркуанд ", датированный 1886 г., Произведения Чарльза С. Пирса, v. 5, 1993, pp. 541–3. Google Предварительный просмотр. Видеть Беркс, Артур В., "Обзор: Чарльз С. Пирс, Новые элементы математики", Бюллетень Американского математического общества т. 84, п. 5 (1978), pp. 913–18, см. 917. PDF Eprint.
  3. ^ В 1946 г. ENIAC требуется около 174 кВт. Для сравнения, современный портативный компьютер может потреблять около 30 Вт; почти в шесть тысяч раз меньше. «Примерное энергопотребление настольного компьютера и ноутбука». Пенсильванский университет. Архивировано из оригинал 3 июня 2009 г.. Получено 20 июн 2009.
  4. ^ "Пионер компьютерных технологий открыт заново, 50 лет спустя". Нью-Йорк Таймс. 20 апреля 1994 г.
  5. ^ Ли, Томас Х. (2003). Конструкция КМОП радиочастотных интегральных схем (PDF). Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781139643771.
  6. ^ Пуэрс, Роберт; Бальди, Ливио; Вурде, Марсель Ван де; Ноутен, Себастьян Э. ван (2017). Наноэлектроника: материалы, устройства, приложения, 2 тома. Джон Уайли и сыновья. п. 14. ISBN  9783527340538.
  7. ^ Лавингтон, Саймон (1998), История компьютеров Manchester (2-е изд.), Суиндон: Британское компьютерное общество, стр. 34–35.
  8. ^ "Чип, который построил Джек". Инструменты Техаса. 2008 г.. Получено 29 мая 2008.
  9. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 46. ISBN  9780801886393.
  10. ^ «1960 - Демонстрация металлооксидного полупроводникового (МОП) транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  11. ^ а б "Кто изобрел транзистор?". Музей истории компьютеров. 4 декабря 2013 г.. Получено 20 июля 2019.
  12. ^ а б c «Триумф МОП-транзистора». YouTube. Музей истории компьютеров. 6 августа 2010 г.. Получено 21 июля 2019.
  13. ^ Мотоёси, М. (2009). «Сквозное кремниевое соединение (TSV)». Труды IEEE. 97 (1): 43–48. Дои:10.1109 / JPROC.2008.2007462. ISSN  0018-9219. S2CID  29105721.
  14. ^ «Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM». Музей истории компьютеров. Получено 22 июля 2019.
  15. ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура». EETimes. 12 декабря 2018 г.. Получено 18 июля 2019.
  16. ^ а б «Применение полевых МОП-транзисторов в современных схемах переключения мощности». Электронный дизайн. 23 мая 2016. Получено 10 августа 2019.
  17. ^ Б. СОМАНАТАН НАИР (2002). Цифровая электроника и логический дизайн. PHI Learning Pvt. ООО п. 289. ISBN  9788120319561. Цифровые сигналы представляют собой импульсы фиксированной ширины, которые занимают только один из двух уровней амплитуды.
  18. ^ Джозеф Мигга Кицца (2005). Безопасность компьютерных сетей. Springer Science & Business Media. ISBN  9780387204734.
  19. ^ 2000 Решенные проблемы цифровой электроники. Тата МакГроу-Хилл Образование. 2005. с. 151. ISBN  978-0-07-058831-8.
  20. ^ Чан, Йи-Джен (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIA / InGaAs и GaInP / GaAs для высокоскоростных приложений. университет Мичигана. п. 1. Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и в результате влияет на нашу повседневную жизнь почти всеми мыслимыми способами.
  21. ^ Грант, Дункан Эндрю; Говар, Джон (1989). Силовые МОП-транзисторы: теория и приложения. Wiley. п. 1. ISBN  9780471828679. Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в очень крупномасштабной интеграции цифровых интегральных схем (VLSI). В течение 1970-х годов эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
  22. ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии. CRC Press. п. 18–2. ISBN  9781420006728.
  23. ^ Реймер, Майкл Г. (2009). Кремниевая паутина: физика для эпохи Интернета. CRC Press. п. 365. ISBN  9781439803127.
  24. ^ Вонг, Кит По (2009). Электротехника - Том II. Публикации EOLSS. п. 7. ISBN  9781905839780.
  25. ^ Хиттингер, Уильям К. (1973). «Металл-оксид-полупроводники». Scientific American. 229 (2): 48–59. Bibcode:1973SciAm.229b..48H. Дои:10.1038 / scientificamerican0873-48. ISSN  0036-8733. JSTOR  24923169.
  26. ^ Питер Кларк (14 октября 2005 г.). «Intel вступает в эру процессоров с миллиардом транзисторов». EE Times.
  27. ^ "13 секстиллионов и счет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории". Музей истории компьютеров. 2 апреля 2018 г.. Получено 12 октября 2020.
  28. ^ Голио, Майк; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии. CRC Press. pp. ix, I-1, 18–2. ISBN  9781420006728.
  29. ^ Раппапорт, Т.С. (ноябрь 1991 г.). «Беспроводная революция». Журнал IEEE Communications. 29 (11): 52–71. Дои:10.1109/35.109666. S2CID  46573735.
  30. ^ «Беспроводная революция». Экономист. 21 января 1999 г.. Получено 12 сентября 2019.
  31. ^ Ахмед, Насир (Январь 1991 г.). "Как я пришел к дискретному косинусному преобразованию". Цифровая обработка сигналов. 1 (1): 4–5. Дои:10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z.
  32. ^ а б Ли, Уильям (1994). Видео по запросу: исследовательский доклад 94/68. 9 мая 1994 г .: Библиотека Палаты общин. Архивировано из оригинал 20 сентября 2019 г.. Получено 20 сентября 2019.CS1 maint: location (связь)
  33. ^ Фролов, Артем; Примечаев, С. (2006). «Получение сжатых изображений домена на основе DCT-обработки». Семантический ученый. S2CID  4553.
  34. ^ Ли, Руби Бей-Ло; Бек, Джон П .; Агнец, Иоиль; Северсон, Кеннет Э. (апрель 1995 г.). «Программный декодер видео MPEG в реальном времени на процессорах PA 7100LC с улучшенными возможностями мультимедиа» (PDF). Журнал Hewlett-Packard. 46 (2). ISSN  0018-1153.
  35. ^ а б Станкович, Радомир С .; Астола, Яакко Т. (2012). «Воспоминания о ранних работах в DCT: интервью с К.Р. Рао» (PDF). Отпечатки с первых дней информационных наук. 60. Получено 13 октября 2019.
  36. ^ Ло, Фа-Лонг (2008). Стандарты мобильного мультимедийного вещания: технологии и практика. Springer Science & Business Media. п. 590. ISBN  9780387782638.
  37. ^ Британак, В. (2011). «О свойствах, взаимосвязях и упрощенной реализации банков фильтров в стандартах аудиокодирования Dolby Digital (Plus) AC-3». Транзакции IEEE по обработке звука, речи и языка. 19 (5): 1231–1241. Дои:10.1109 / TASL.2010.2087755. S2CID  897622.
  38. ^ Шишикуи, Ёсиаки; Наканиши, Хироши; Имаидзуми, Хироюки (26–28 октября 1993 г.). «Схема кодирования HDTV с использованием DCT с адаптивным размером». Обработка сигналов HDTV: Материалы международного семинара по HDTV '93, Оттава, Канада. Эльзевир: 611–618. Дои:10.1016 / B978-0-444-81844-7.50072-3. ISBN  9781483298511.
  39. ^ Мэтью, Крик (2016). Власть, наблюдение и культура в цифровой сфере YouTube ™. IGI Global. С. 36–7. ISBN  9781466698567.
  40. ^ Пол Горовиц и Уинфилд Хилл, Искусство электроники 2-е изд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1989 г. ISBN  0-521-37095-7 стр. 471
  41. ^ Майни. А.К. (2007). Принципы, устройства и приложения цифровой электроники. Чичестер, Англия: John Wiley & Sons Ltd.
  42. ^ Симпозиум Пентагона: Коммерчески доступные электронные цифровые компьютеры общего назначения по умеренной цене, Вашингтон, округ Колумбия, 14 мая 1952 года.
  43. ^ "ASODA sync / async DLX Core". OpenCores.org. Получено 5 сентября, 2014.
  44. ^ Кларк, Питер. «ARM предлагает первое ядро ​​без тактового процессора». eetimes.com. UBM Tech (универсальные деловые СМИ). Получено 5 сентября 2014.
  45. ^ Браун С. и Вранесич З. (2009). Основы цифровой логики с VHDL-дизайном. 3-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Мак Гроу Хилл.
  46. ^ MIL-HDBK-217F, примечание 2, раздел 5.3, для коммерческих ИС КМОП с разрешением 0,8 микрометра 100 000 ворот при 40 ° C; частота отказов в 2010 году выше, потому что размеры линий уменьшились до 0,045 микрометра, и требуется меньше подключений вне кристалла на один вентиль.
  47. ^ Кляйц, Уильям. (2002). Основы цифровых технологий и микропроцессоров: теория и применение. 4-е изд. Upper Saddler Reviver, Нью-Джерси: Пирсон / Прентис Холл
  48. ^ Ээро Лехтонен, Мика Лайхом, «Логика импликации состояния с мемристорами», Труды Международного симпозиума IEEE / ACM 2009 г. по наноразмерным архитектурам IEEE Computer Society Вашингтон, округ Колумбия, США © 2009 Проверено 11 декабря 2011 г.

дальнейшее чтение

  • Дуглас Левин, Логическая конструкция коммутационных цепей, Нельсон, 1974.
  • Р. Х. Кац, Современный логический дизайн, Издательство Бенджамин / Каммингс, 1994.
  • П. К. Лала, Практическое проектирование и тестирование цифровой логики, Прентис Холл, 1996.
  • Ю. К. Чан, С. Ю. Лим, Прогресс в исследованиях в области электромагнетизма B, Vol. 1, 269–290, 2008, "Генерация сигналов радара с синтезированной апертурой (SAR), факультет инженерии и технологий, Мультимедийный университет, Джалан Айер Керо Лама, Букит Беруанг, Мелака 75450, Малайзия.

внешняя ссылка