1-06-0---Интегральные схемы (стр 32) - Проектирование цифровых устройств Том 1 Джон Ф Уэйкерли - Книги

1.6. Интегральные схемы

Один или большее число вентилей, сформированных на одном кристалле кремния, называются интегральной схемой (ИС; integrated circuit, 1С). Большие интегральные схемы с десятками миллионов транзисторов могут представлять собой квадратную пластину со стороной порядка половины дюйма или больше, тогда как у малых ИС этот размер может быть меньше одной десятой дюйма.

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Позднее вы узнаете из этой книги, что программируемые логические устройства (ПЛУ) и состоящие из вентилей решетки, программируемые в процессе эксплуатации (field-programmable gate arrays, FPGAs) позволяют сконструировать схему или подсистему путем написания своего рода программ. Сегодня имеются ПЛУ и устройства типа FPGA, содержащие до миллиона вентилей, и возможности, предоставляемые кристаллами, построенными по этой технологии, все время возрастают. Если конструкция, созданная вами на основе ПЛУ или устройства типа FPGA, не заработает с первого раза, то часто имеется возможность произвести исправление путем изменений в программе и физического перепрограммирования устройства, не заменяя компоненты и не внося изменений в соединения между ними на уровне системы. Легкость создания опытных образцов и модификации систем на основе ПЛУ и устройств типа FPGA может привести к исключению необходимости моделирования.

Самый распространенный взгляд на тенденции развития промышленности свидетельствует о том, что - по мере совершенствования технологии изготовления кристаллов - проектирование все в большей степени будет осуществляться на уровне кристалла, а не на уровне платы. Поэтому возможность полного и подробного моделирования станет исключительно важной в типичном случае проектирования цифрового устройства.

Однако возможен и другой подход. Экстраполируя тенденции возможностей, предоставляемых ПЛУ и устройствами типа FPGA, следует ожидать, что в предстоящие десять лет мы станем свидетелями появления микросхем, содержащих в качестве составных элементов не только вентили и триггеры, но также и функциональные блоки более высокого уровня, такие как процессоры, память и контроллеры ввода/вывода. С этой точки зрения большинство проектировщиков цифровых устройств будут иметь дело со сложными компонентами внутри кристалла и такими соединениями, основные функции которых уже будут протестированы производителем микросхем. Имея в виду такое развитие, все же следует допустить возможность неправильного использования программируемых функций высокого уровня, но и в этом случае исправлять ошибки можно простым внесением изменений в программу; в этих условиях детальное моделирование проектируемого устройства до его «пробной реализации» может оказаться напрасной тратой времени. Другой взгляд на эту проблему с той же самой точки зрения состоит в том, что каждое ПЛУ или каждый кристалл FPGA - это просто-напросто устройство, моделирующее работу программы с максимальным быстродействием, и это все, что находится внутри интегральной схемы.

Обоснован ли этот крайний взгляд на вещи? Чтобы узнать ответ, задайте себе вопрос, многих ли вы знаете программистов, отлаживающих новую программу путем «моделирования» ее работы, а не просто пытаясь запустить ее?

В любом случае, современные цифровые системы слишком сложны, и у проектировщика нет никаких шансов перебрать все возможные комбинации входных воздействий независимо от того, применяется моделирование или нет. Как и в отношении программного обеспечения, правильность работы цифровой системы лучше всего проверяется на практике, которая и должна засвидетельствовать, что система «правильно спроектирована». Цель этой книги состоит в том, чтобы поощрить такую практику.

Независимо от размеров первоначально отдельные ИС являются элементами значительно большей по величине круглой полупроводниковой пластины (wafer) диаметром до 10 дюймов, содержащей от нескольких дюжин до нескольких сотен точных копий одной и той же ИС. Все ИС на этой пластине формируются одновременно, подобно пицце, которая, в конце концов, продается порезанной на куски, за исключением того, что в нашем случае каждый кусочек (одна ИС) называется кристаллам (die). После того, как пластина изготовлена, осуществляется тестирование всех кристаллов, пока они еще остаются элементами этой пластины, и неисправные кристаллы помечаются. Затем пластина разрезается на отдельные кристаллы, и отмеченные кристаллы при этом отбрасываются. (Сравните с тем, что делает тот, кто выпекает пиццу и продает все куски, даже недостаточно поперченные!) Каждый непомеченный кристалл укрепляется в корпусе, контактные площадки кристалла соединяются с выводами корпуса, помещенная в корпус ИС подвергается окончательному тестированию и отправляется заказчику.

Некоторые употребляют термин «ИС» по отношению к кремниевому кристаллу. Другие ту же самую вещь называют «микросхемой» («чипом»). А есть еще такие, кто словами «ИС» и «микросхема» обозначает комбинацию кремниевого кристалла и ее корпуса. Разработчики цифровых устройств используют эти термины попеременно, не обращая особого внимания на то, кто что говорит. Им не требуется точного определения, поскольку их интересует только функциональное назначение этих изделий и их электрические свойства. Дальше в этой книге мы будем под ИС понимать кристалл, заключенный в корпус.

С самого начала, когда только появились ИС, их стали классифицировать по размерам - малые, средние и большие - в зависимости от того, сколько в них содержится вентилей. Простейшие микросхемы, до сих пор выпускаемые серийно и содержащие от 1 до 20 вентилей в эквивалентном выражении, называются ИС малой степени интеграции (small-scale integration, SSI) или малыми интегральными схемами (МИС). Обычно такая ИС содержит небольшое число вентилей или триггеров, являющихся элементарными составными элементами при проектировании цифровых устройств.

МИС, которые скорее всего встретятся вам в учебной лаборатории, выпускаются в корпусе с двухрядным расположением выводов [dual in-line-pin (DIP) package], с числом выводов, равным 14. Как показано на рис. 1.4(а), расстояние между выводами в ряду составляет 0.1 дюйма, а расстояние между рядами равно 0.3 дюйма. Если ИС для выполнения ее функции требуется большее число выводов, то кристалл помещают в корпус DIP большего размера [см. рис. (Ь) и (с)]. Схема расположения выводов (pin diagram) указывает распределение имеющихся в схеме сигналов по выводам корпуса, или цоколевку (pinout). На рис. 1.5 представлены схемы расположения выводов для нескольких распространенных МИС. Цоколевку используют только в том случае, когда проектировщику нужно определить номера выводов в той или иной ИС. В принципиальных схемах цифровых устройств распределение выводов не указывается. Вместо этого различные вентили объединяются в группы по функциональному признаку, и мы расскажем об этом в параграфе 5.1.

Рис. 1.4. Корпуса с двухрядным расположением выводов: (а) корпусе 14 выводами; (Ь) корпус с 20 выводами; (с) корпус с 28 выводами

Рис. 1.5. Схемы расположения выводов для нескольких ИС малой степени интеграции 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 (medium-scale integration, MSI) 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 или счетчик. В главах 5 и 8 будет сделан особый упор на функциональные блоки такого вида. Хотя применение самих СИС сокращается, эквивалентные им функциональные блоки широко используются при создании больших ИС.

Еще большими ИС являются интегральные схемы высокой степени интеграции (large-scale integration, LSI) или большие ИС (БИС), содержащие от 200 до 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 DIP, 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 74VHC1G00 фирмы Motorola. 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 эти функции первоначально были реализованы в МИС. Затем последовательно они становились компонентами «макро» библиотек при разработке специализированных ИС, «стандартными ячейками» при проектировании СБИС, «заготовками» функций для языков программирования ПЛУ и библиотечными функциями в языках описания схем типа VHDL.

В этой книге стандартные логические функции появляются в главах 5 и 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.

Граница между БИС и сверхбольшими интегральными схемами (СБИС; very large-scale integration, VLSI) расплывчата и часто ее выражают числом транзисторов, а не числом вентилей. Любая ИС с числом транзисторов более I 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 1999 году разрабатывались СБИС с числом транзисторов, доходящим до 50 миллионов.