Logická rodina - Logic family

v počítačové inženýrství, a logická rodina může odkazovat na jeden ze dvou souvisejících konceptů. Logická rodina monolitického digitálu integrovaný obvod zařízení je skupina elektronických logické brány konstruovány pomocí jednoho z několika různých designů, obvykle s kompatibilními logické úrovně a charakteristiky napájení v rámci rodiny. Mnoho logických rodin bylo vyrobeno jako jednotlivé komponenty, z nichž každá obsahovala jednu nebo několik souvisejících základních logických funkcí, které mohly být použity jako „stavební bloky“ k vytváření systémů nebo jako takzvané „lepidlo“ k propojení složitějších integrovaných obvodů.A “ logická rodina "může také odkazovat na soubor technik používaných k implementaci logiky uvnitř VLSI integrované obvody jako centrální procesory, paměti nebo jiné složité funkce. Některé takové logické rodiny používají statické techniky minimalizovat složitost designu. Jiné takové logické rodiny, jako např domino logika, použijte taktované dynamické techniky minimalizovat velikost, spotřeba energie a zpoždění.

Před rozšířeným používáním integrovaných obvodů se používaly různé logické systémy v pevné fázi a elektronky, ale nikdy nebyly tak standardizované a interoperabilní jako zařízení s integrovanými obvody. Nejběžnější logická rodina v moderní době polovodičová zařízení je kov – oxid – polovodič (MOS) logika, kvůli nízké spotřebě energie, malé velikosti tranzistorů a vysoko hustota tranzistoru.

Technologie

Seznam zabalených skupin logických bloků stavebních bloků lze rozdělit do kategorií, které jsou zde uvedeny v zhruba chronologickém pořadí úvodu spolu s jejich obvyklými zkratkami:

Skupiny (RTL, DTL a ECL) byly odvozeny z logických obvodů používaných v časných počítačích, původně implementovaných pomocí diskrétní součásti. Jedním z příkladů je Philips NORBIT rodina logických stavebních bloků.

PMOS a já2Logické rodiny L byly používány po relativně krátká období, většinou ve speciálním účelu rozsáhlá integrace obvodů zařízení a jsou obecně považovány za zastaralé. Například časné digitální hodiny nebo elektronické kalkulačky mohly k zajištění většiny logiky hotového výrobku použít jedno nebo více zařízení PMOS. The F14 CADC, Intel 4004, Intel 4040, a Intel 8008 mikroprocesory a jejich podpůrné čipy byly PMOS.

Z těchto rodin jsou v současné době stále velmi rozšířené pouze ECL, TTL, NMOS, CMOS a BiCMOS. ECL se používá pro velmi vysokorychlostní aplikace kvůli své ceně a energetické náročnosti Logika NMOS se používá hlavně v VLSI obvodové aplikace, jako jsou CPU a paměťové čipy, které nespadají do oblasti působnosti tohoto článku. Dnešní integrované obvody logické brány „stavební blok“ jsou založeny na rodinách ECL, TTL, CMOS a BiCMOS.

Logika rezistor – tranzistor (RTL)

Hlavní článek: Logika rezistor – tranzistor

The Atanasoff – Berry Computer použitý odporově spojený elektronka logické obvody podobné RTL. Několik brzy tranzistorové počítače (např. IBM 1620, 1959) používal RTL, kde byl implementován pomocí diskrétních komponent.

Rodina jednoduchých logicko-integrovaných obvodů rezistor – tranzistor byla vyvinuta v Fairchild Semiconductor pro Naváděcí počítač Apollo v roce 1962. Texas Instruments brzy představila vlastní rodinu RTL. Varianta s integrovanými kondenzátory, RCTL, měla vyšší rychlost, ale nižší odolnost proti hluku než RTL. To bylo vyrobeno společností Texas Instruments jako jejich řada „51XX“.

Logika dioda-tranzistor (DTL)

Hlavní článek: Logika dioda-tranzistor

Diodová logika byl používán s elektronkami v prvních elektronických počítačích ve 40. letech včetně ENIAC. Dioda-tranzistorová logika (DTL) byla použita v IBM 608 který byl prvním plně tranzistorovým počítačem. Počáteční tranzistorové počítače byly implementovány pomocí diskrétních tranzistorů, rezistorů, diod a kondenzátorů.

První diodově-tranzistorová logická rodina integrovaných obvodů byla představena Signetics v roce 1962. DTL vyrobili také Fairchild a Westinghouse. Rodina diodových logických a diodově-tranzistorových logických integrovaných obvodů byla vyvinuta Texas Instruments pro D-37C Naváděcí počítač Minuteman II v roce 1962, ale tato zařízení nebyla k dispozici veřejnosti.

Začleněna varianta DTL s názvem „high-threshold logic“ Zenerovy diody k vytvoření velkého posunu mezi napěťovými úrovněmi logiky 1 a 0. Tato zařízení obvykle vyčerpala napájecí zdroj 15 voltů a byla nalezena v průmyslovém řízení, kde měl vysoký rozdíl minimalizovat účinek šumu.[3]

Logika PMOS a NMOS

Hlavní články: Logika PMOS a Logika NMOS
Další informace: MOSFET a Logika NMOS vyčerpání a načtení

Logika typu MOS (PMOS) typu P. používá p-kanál MOSFETy provádět logické brány a další digitální obvody. Logika MOS typu N (NMOS) používá n-kanál MOSFETy pro implementaci logických hradel a dalších digitálních obvodů.

U zařízení se stejnosměrným buděním mohou být n-kanálové MOSFETy menší než p-kanálové MOSFETy kvůli nosným nábojů p-kanálu (díry ) s nižší mobilita než n-kanálové nosiče poplatků (elektrony ) a výroba pouze jednoho typu MOSFET na křemíkovém substrátu je levnější a technicky jednodušší. To byly hnací principy při navrhování Logika NMOS který používá výhradně N-kanálové MOSFETy. Nicméně zanedbávání svodový proud, na rozdíl od logiky CMOS, logika NMOS spotřebovává energii, i když nedochází k přepínání.

Mohamed M. Atalla a Dawon Kahng poté, co vynalezli MOSFET, vymyslel zařízení pMOS i nMOS s a 20 um proces v roce 1960.[4] Jejich původní zařízení MOSFET měla délku brány 20 µm a a oxid brány tloušťka 100 nm.[5] Zařízení nMOS však byla nepraktická a praktická pracovní zařízení byla pouze u typu pMOS.[4] Praktičtější proces NMOS byl vyvinut o několik let později. NMOS byl zpočátku rychlejší než CMOS, tedy NMOS byl více používán pro počítače v 70. letech.[6] S pokrokem v technologii logika CMOS vytlačila logiku NMOS v polovině 80. let, aby se stala preferovaným procesem pro digitální čipy.

Logika spojená s emitorem (ECL)

Hlavní článek: Logika spojená s emitorem

Rodina ECL, ECL je také známá jako logika aktuálního režimu (CML), byla vynalezena společností IBM as současná logika řízení pro použití v tranzistorové IBM 7030 Stretch počítač, kde byl implementován pomocí diskrétních komponent.

První logickou rodinu ECL, která byla k dispozici v integrovaných obvodech, představila společnost Motorola tak jako MECL v roce 1962.[7]

Logika tranzistor – tranzistor (TTL)

Hlavní článek: Logika tranzistor – tranzistor

První logicko-tranzistorová rodina integrovaných obvodů byla představena Sylvania tak jako Univerzální logika Sylvania na vysoké úrovni (SUHL) v roce 1963. Společnost Texas Instruments představila Řada 7400 Rodina TTL v roce 1964. Transistor – použití tranzistorové logiky bipolární tranzistory k vytvoření jeho integrovaných obvodů.[8] TTL se v průběhu let významně změnil, přičemž starší verze nahradily novější verze.

Vzhledem k tomu, že tranzistory standardní brány TTL jsou nasycené přepínače, omezuje doba ukládání minoritního nosiče v každém spoji rychlost spínání zařízení. Varianty základního designu TTL jsou určeny ke snížení těchto efektů a zlepšení rychlosti, spotřeby energie nebo obojího.

Německý fyzik Walter H. Schottky formuloval teorii předpovídající Schottkyho efekt, což vedlo k Schottkyho dioda a později Schottkyho tranzistory. Pro stejný ztrátový výkon mají Schottkyho tranzistory rychlejší spínací rychlost než běžné tranzistory, protože Schottkyho dioda brání tranzistoru v nasycení a ukládání náboje; vidět Baker svorka. Brány postavené s Schottkyho tranzistory používají více energie než normální TTL a přepínají rychleji.[je zapotřebí objasnění ] S Schottky s nízkým výkonem (LS) byly hodnoty vnitřního odporu zvýšeny, aby se snížila spotřeba energie a zvýšila rychlost spínání oproti původní verzi. Zavedení Pokročilé Schottky s nízkou spotřebou (ALS) dále zvýšila rychlost a snížila spotřebu energie. Volala rychlejší logická rodina RYCHLE Byl také představen (Fairchild Advanced Schottky TTL) (Schottky) (F), který byl rychlejší než normální Schottky TTL.

Doplňková logika MOS (CMOS)

Hlavní článek: CMOS

Logické brány CMOS používají doplňková uspořádání N-kanálu a P-kanálu v režimu vylepšení tranzistor s efektem pole. Vzhledem k tomu, že původní zařízení používala kovové brány izolované od oxidu, byla volána CMOS (doplňková logika kov-oxid-polovodič). Na rozdíl od TTL nepoužívá CMOS ve statickém stavu téměř žádnou energii (tj. Když se vstupy nemění). Brána CMOS nečerpá žádný proud kromě úniku, když je ve stabilním stavu 1 nebo 0. Když se stav přepne na bránu, odebírá se proud ze zdroje, aby se nabila kapacita na výstupu brány. To znamená, že aktuální odběr zařízení CMOS se zvyšuje se spínací frekvencí (obvykle řízenou rychlostí hodin).

První rodinu logických integrovaných obvodů CMOS představila společnost RCA tak jako CD4000 COS / MOS, Řada 4000, v roce 1968. Zpočátku byla logika CMOS pomalejší než LS-TTL. Protože však logické prahy CMOS byly úměrné napájecímu napětí, zařízení CMOS byla dobře přizpůsobena bateriovým systémům s jednoduchými napájecími zdroji. Brány CMOS mohou také tolerovat mnohem širší rozsahy napětí než brány TTL, protože logické prahové hodnoty jsou (přibližně) úměrné napájecímu napětí a ne pevné úrovně požadované bipolárními obvody.

Požadovaná křemíková oblast pro implementaci těchto digitálních funkcí CMOS se rychle zmenšila. Technologie VLSI začlenění milionů základních logických operací do jednoho čipu téměř výhradně využívá CMOS. Extrémně malá kapacita kabeláže na čipu způsobila zvýšení výkonu o několik řádů. Taktovací frekvence na čipu až 4 GHz se staly běžnými, přibližně 1 000krát rychlejšími než tato technologie do roku 1970.

Snížení napájecího napětí

Hlavní článek: LVCMOS

Čipy CMOS často pracují s širším rozsahem napájecího napětí než jiné logické rodiny. Časné integrované obvody TTL vyžadovaly a zdroj napájení Napětí 5 V, ale časný CMOS mohl použít 3 až 15 V.[9] Snížení napájecího napětí snižuje náboj uložený na jakékoli kapacitě a následně snižuje energii potřebnou pro logický přechod. Snížená energie znamená menší odvod tepla. Energie uložená na kapacitě C a mění se PROTI voltů je ½životopis2. Snížením napájení z 5 V na 3,3 V se snížil spínací výkon o téměř 60 procent (ztráta výkonu je úměrná druhé mocnině napájecího napětí). Mnoho základních desek má modul regulátoru napětí zajišťovat ještě nižší napětí napájecího zdroje vyžadované mnoha CPU.

Logika HC

Kvůli nekompatibilitě čipů řady CD4000 s předchozí rodinou TTL se objevil nový standard, který kombinoval to nejlepší z rodiny TTL s výhodami rodiny CD4000. Byl známý jako 74HC (který používal kdekoli od 3,3 V do 5 V napájecí zdroje (a používal logické úrovně vzhledem k napájecímu zdroji)) a se zařízeními, která používala 5 V napájecí zdroje a TTL logické úrovně.

Problém logické úrovně CMOS – TTL

Propojení jakýchkoli dvou logických rodin často vyžadovalo speciální techniky, například další pull-up rezistory, nebo účelově vytvořené obvody rozhraní, protože logické rodiny mohou používat různé úrovně napětí reprezentovat stavy 1 a 0 a mohou mít jiné požadavky na rozhraní splněné pouze v rámci logické rodiny.

Logické úrovně TTL se liší od úrovní CMOS - výstup TTL obecně nestoupá dostatečně vysoko, aby byl spolehlivě rozpoznán jako logika 1 vstupem CMOS. Tento problém byl vyřešen vynálezem rodiny 74HCT zařízení, která využívá technologii CMOS, ale vstupní logické úrovně TTL. Tato zařízení fungují pouze s napájecím zdrojem 5 V. Tvoří náhradu za TTL, i když HCT je pomalejší než původní TTL (logika HC má přibližně stejnou rychlost jako původní TTL).

Další rodiny CMOS

Další rodiny obvodů CMOS v rámci integrované obvody zahrnout logika přepínání napětí cascode (CVSL) a projít tranzistorovou logikou (PTL) různých druhů. Obvykle se používají „na čipu“ a nejsou dodávány jako stavební bloky středního nebo malého rozsahu integrovaných obvodů.

Bipolární CMOS (BiCMOS) logika

Hlavní článek: BiCMOS

Jedním z hlavních vylepšení bylo kombinovat vstupy CMOS a ovladače TTL a vytvořit nový typ logických zařízení zvaných Logika BiCMOS, z nichž nejdůležitější jsou logické rodiny LVT a ALVT. Rodina BiCMOS má mnoho členů, včetně Logika ABT, ALB logika, Logika ALVT, Logika BCT a Logika LVT.

Vylepšené verze

Vzhledem k tomu, že logika HC a HCT a logika LS-TTL soutěží na trhu, vyšlo najevo, že k vytvoření ideál logické zařízení kombinující vysokou rychlost s nízkým ztrátovým výkonem a kompatibilitou se staršími logickými rodinami. Objevila se celá řada novějších rodin, které používají technologii CMOS. Krátký seznam nejdůležitějších rodinných označení těchto novějších zařízení zahrnuje:

  • Logika LV (nižší napájecí napětí)
  • Logika LVT (nižší napájecí napětí při zachování logických úrovní TTL)
  • Logika ALVT („pokročilá“ verze logiky LVT)

Existuje mnoho dalších včetně Logika AC / ACT, Logika AHC / AHCT, Logika ALVC, AUC logika, Logika AVC, Logika CBT, Logika CBTLV, FCT logika a Logika LVC (LVCMOS ).

Integrovaná injekční logika (IIL)

Hlavní článek: Integrovaná logika vstřikování

Integrovaná logika vstřikování (IIL nebo I.2L) použití bipolární tranzistory v uspořádání řízení proudu k implementaci logických funkcí.[10] Byl použit v některých integrovaných obvodech, ale nyní je považován za zastaralý.[11]

Porovnány rodiny logických monolitických integrovaných obvodů

Následující logické rodiny by byly buď použity k vytvoření systémů z funkčních bloků, jako jsou klopné obvody, čítače a brány, nebo by byly použity jako „lepicí“ logika k propojení velmi rozsáhlých integračních zařízení, jako jsou paměť a procesory . Nezobrazeny jsou některé rané temné logické rodiny z počátku 60. let, jako je DCTL (logika s přímým spojením tranzistoru), která se nestala široce dostupnou.

Šíření zpoždění je čas potřebný pro bránu NAND se dvěma vstupy k vytvoření výsledku po změně stavu na jejích vstupech. Přepnout rychlost představuje nejrychlejší rychlost, s jakou by klopný obvod JK mohl fungovat. Výkon na bránu je pro samostatnou bránu NAND se 2 vstupy; obvykle by na balíček IC bylo více než jedna brána. Hodnoty jsou velmi typické a mírně se liší v závislosti na podmínkách aplikace, výrobci, teplotě a konkrétním typu logického obvodu. Úvodní rok je situace, kdy byla alespoň některá zařízení rodiny k dispozici pro civilní použití. Některé vojenské aplikace předcházely civilnímu použití.[12][13]

RodinaPopisPropagační zpoždění (ns)Přepínací rychlost (MHz)Výkon na bránu @ 1 MHz (mW)Typické napájecí napětí V (rozsah)Úvodní rokPoznámky
RTLLogika rezistor – tranzistor5004103.31963první CPU postavený z integrovaných obvodů ( Naváděcí počítač Apollo ) použitý RTL.
DTLLogika dioda-tranzistor251051962Řada Fairchild 930, zavedená společností Signetics, se stala průmyslovým standardem v roce 1964
PMOS1 000 MEM30019-27 a -131967Představeno obecným nástrojem
CMOSAC / ACT31250.53,3 nebo 5 (2-6 nebo 4,5-5,5)1985ACT má úrovně kompatibilní s TTL
CMOSHC / HCT9500.55 (2-6 nebo 4,5-5,5)1982HCT má úrovně kompatibilní s TTL
CMOS4000B / 74C3051.210V (3-18)1970Přibližně poloviční rychlost a výkon při 5 voltech
TTLOriginální série1025105 (4.75-5.25)1964Několik výrobců
TTLL33315 (4.75-5.25)1964Nízký výkon
TTLH643225 (4.75-5.25)1964Vysoká rychlost
TTLS3100195 (4.75-5.25)1969Schottky vysoká rychlost
TTLLS104025 (4.75-5.25)1976Nízký výkon Schottky vysoká rychlost
TTLALS4501.35 (4.5-5.5)1976Pokročilé Schottky s nízkou spotřebou
TTLF3.51005.45 (4.75-5.25)1979Rychle
TTLTAK JAKO210585 (4.5-5.5)1980Pokročilé Schottky
TTLG1.51125 (1 125 GHz)1.65 - 3.62004První logika řady 7400 GHz
ECLECL III150060-5.2(-5.19 - -5.21)1968Vylepšená ECL
ECLMECL I831-5.21962první integrovaný logický obvod komerčně vyráběný
ECLECL 10K212525-5.2(-5.19 - -5.21)1971Motorola
ECLECL 100 tis0.7535040-4.5(-4.2 - -5.2)1981
ECLECL 100 KH125025-5.2(-4.9 - -5.5)1981

Styly designu na čipu

Při navrhování velkých jednočipových integrovaných obvodů specifických pro konkrétní aplikace (ASIC) a CPU se primárně používá několik technik a stylů designu, nikoli generické logické rodiny určené pro použití ve vícečipových aplikacích.

Tyto styly designu lze obvykle rozdělit do dvou hlavních kategorií,statické techniky ataktované dynamické techniky.(Vidět statická versus dynamická logika pro nějakou diskusi o výhodách a nevýhodách každé kategorie).

Statická logika

Dynamická logika

  • čtyřfázová logika
  • domino logika
  • Footless domino
  • Logika NORA / zip
  • Domino s více výstupy
  • Složené domino
  • Domino se dvěma kolejnicemi
  • Samonastavovací domino
  • Ukázka diferenciální logiky
  • Dynamická logika s omezeným přepínáním

Viz také

Reference

  1. ^ Savard, John J. G. (2018) [2005]. „Z čeho jsou počítače vyrobeny“. quadibloc. Archivováno z původního dne 2018-07-02. Citováno 2018-07-16.
  2. ^ Mueller, Dieter (2005). "Logické brány". Archivováno z původního dne 2018-07-18. Citováno 2018-07-18.
  3. ^ Jacob Millman, Mikroelektronika Digitální a analogové obvody a systémy, McGraw-Hill Book Company, New York, 1979, ISBN  0-07-042327-X
  4. ^ A b Lojek, Bo (2007). Historie polovodičového inženýrství. Springer Science & Business Media. s. 321–3. ISBN  9783540342588.
  5. ^ Sze, Simon M. (2002). Polovodičová zařízení: fyzika a technologie (PDF) (2. vyd.). Wiley. str. 4. ISBN  0-471-33372-7.
  6. ^ „1978: Double-well fast CMOS SRAM (Hitachi)“ (PDF). Muzeum historie polovodičů v Japonsku. Citováno 5. července 2019.
  7. ^ William R. Blood Jr. (1972). Příručka pro návrh systému MECL 2. vyd. n.p .: Motorola Semiconductor Products Inc. vi.
  8. ^ Don Lancaster, Kuchařka TTLHoward W. Sams and Co., Indianapolis, 1975, ISBN  0-672-21035-5
  9. ^ RCA COSMOS
  10. ^ Hurst, Stanley L. (1999), VLSI Custom Microelectronics: Digital: Analog, and Mixed-Signal, Marcel Dekker, s. 31–38, ISBN  0-203-90971-2
  11. ^ Hurst 1999, str. 38
  12. ^ Inženýrský štáb, Datová kniha TTL pro konstruktéry, 1. vyd., Texas Instruments, Dallas Texas, 1973, bez čísla ISBN, strany 59, 87
  13. ^ Paul Horowitz a Winfield Hill, Umění elektroniky 2. vyd. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN  0-521-37095-7 tabulka 9.1 strana 570

Další čtení

  • H. P. Westman (ed), Referenční data pro Radio Engineers 5. vydání, Howard W. Sams & Co., Indianapolis, 1968, bez čísla ISBN, Library of Congress Card 43-14665
  • Savard, John J. G. (2018) [2005]. „Z čeho jsou počítače vyrobeny“. quadibloc. Archivováno z původního dne 2018-07-02. Citováno 2018-07-16.
  • Texas Instrument. "Logický průvodce" (PDF).