Основные схемотехнологические направления производства микропроцессоров

Стр 1 из 20Следующая ⇒

В настоящее время для производства интегральных схем используются следующие основные технологические базисы: транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ); маломощная ТТЛШ (МТТЛШ); инжекционная интегральная логика (И²Л) и ее различные варианты (И³Л, ИШЛ и т. д.); р-канальная МОП-технология (р-МОП); n-канальная МОП (n-МОП); комплементарная МОП-технология (КМОП); варианты МОП-технологии (МНОП, ЛИЗМОП); эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).

Рассмотрим основные особенности распространенных технологий производства БИС. Для ТТЛ напряжение питания Uп=5В; стандартные входные уровни сигналов U0< =0.8В, U1> =2.0В, выходные U0< =0.4В; U1> =2.4В. По ТТЛ-технологии реализованы ИС серий К133, К134, К155. По сравнению с обычным ТТЛ, ТТЛШ-вентиль обеспечивает приблизительно вдвое меньшие задержки включения и выключения за счет использования ненасыщенного режима работы транзисторов, а также несколько меньшую мощность потребления и обладает в 1.5-2 раза меньшей площадью. Напряжение питания и стандартные входные-выходные напряжения ТТЛШ-вентиля унифицированы с аналогичными параметрами обычного ТТЛ-вентиля. Вентили ТТЛ и ТТЛШ работоспособны в широком диапазоне температур, изменение мощности их потребления в зависимости от частоты незначительно. По ТТЛШ-технологии реализованы ИС и БИС серий К533, К555, К589, К585, К1802, К1804, а также некоторые БИС серий К583, К584. На основе маломощной ТТЛШ-технологии реализованы ИС серий К1533, К1555.

Диапазон размаха логического сигнала И²Л -вентиля лежит в пределах 0.2-0.8В, поэтому для сопряжения И²Л БИС с ТТЛ-схемами используются специальные входные и выходные каскады. Стандартные И²Л-вентили имеют широкий диапазон рабочих токов питания, при этом их быстродействие прямо пропорционально току инжекции. И²Л БИС работоспособны в диапазоне от 0.1 до 2 значений номинального тока питания, что обеспечивает их работу как в микромощном, так и в быстродействующем режиме. По сравнению с ТТЛШ И²Л-технология обеспечивает приблизительно в десять раз большую степень интеграции БИС при меньшем в 2-3 раза быстродействии. В настоящее время развиваются многочисленные разновидности И²Л-технологии, такие как изопланарная И²Л (И³Л) и инжекционная Шоттки (ИШЛ) логика. ИШЛ по сравнению с И²Л-вентилем обладает приблизительно в 1.5 раза большей площадью, но обеспечивает быстродействие, соизмеримое с ТТЛШ-схемами. Инжекционная логика работоспособна в широком диапазоне температур. Помехоустойчивость схем такая же, как и у ТТЛ-логики. На основе И²Л-технологии реализованы БИС серий К582, К583, К584, К1808, К1815. Перспективным является построение комбинированных кристаллов, когда внутренняя часть строится по инжекционной технологии, а внешняя, для удачного сопряжения с периферией и другими БИС, - по ТТЛ-технологии.

Для работы р-МОП -инвертора необходимо подать напряжение питания Uп=-(9-24)В и напряжение смещения подложки Uсп=-(3-12)В. Выходные напряжения при Uп=-24В обычно принимаются равными U0=-22В, U1=-2В; входные напряжения U0=-12B, U1=-4B. Вентили имеют небольшую площадь, но обладают малым быстродействием (время переключения более 0.1 мкс). Относительная дешевизна этих БИС объясняет их широкое применение в бытовых приборах. Для работы n-МОП-инвертора необходимо подать напряжение питания Uп=5В и напряжение смещения подложки U'сп=-5В, на основе которого в резистивном делителе, подключенном к Uп и к U'сп вырабатывается Uсп. Иногда внутреннее Uсп вырабатывается на основе напряжения питания и земли. Входные и выходные напряжения n-МОП обычно обеспечивают прямое сопряжение с ТТЛ-схемами.

Площадь у n-МОП вентиля в 5-7 раз меньше, чем у ТТЛ и быстродействие в 4-10 раз меньше, чем у ТТЛ-схем. По n-МОП-технологии разработаны комплекты БИС серий К145, К580, К581, К586, К1801, К1809, К1810, К1820.

В состав КМОП -инвертора входят два транзистора разного типа проводимости. Для работы вентилей нет необходимости использовать напряжение смещения подложки. В состоянии логических нуля и единицы вентиль практически не потребляет энергию. Стандартные входные U0< =0.8B, U1> =3.5B и выходные U0< =0.4B, U1> =4.5B. Следует отметить высокую помехоустойчивость КМОП. Амплитуда помехи может составлять до 40% от напряжения питания. Высокопороговая КМОП-логика обычно имеет Uп=9В и не сопрягается с ТТЛ. По высокопороговой технологии выполнена серия К587, по низкопороговой - К564, К561, К588, К1806.

Вентиль ЭСЛ обладает самым большим быстродействием, но занимает самую большую площадь и потребляет большую, чем у всех остальных, мощность. Высокое быстродействие достигается за счет ненасыщенных режимов работы транзисторов. Входные и выходные напряжения составляют U0> =-1.1B, U1< =-1.5B; U1< =-1.65B, U0> =-0.8B соответственно. Из этого следует, что ЭСЛ-вентили невозможно прямо использовать в составе ТТЛ-схем.

Характеристики микропроцессоров

Кратко перечислим основные характеристики микропроцессоров:

· разрядность;

· быстродействие (тактовая частота, время выполнения " короткой" команды;

· потребляемая мощность;

· технология (уровень логических сигналов);

· архитектурные особенности: система операций, способы адресации, наличие и организация подсистем прерываний и ПДП, объем и организация СОЗУ, конвейер операций, аппаратная поддержка системы виртуальной памяти и т.п.;

· структурные особенности: количество и назначение шин (стандарт интерфейса), внутренняя структура;

· число источников питания;

· число БИС в комплекте;

и др.

Поколения микропроцессоров.

В первые десятилетия своего развития микропроцессоры было принято делить на поколения, причем границы поколений (разумеется, весьма условно) проводились по признаку технологии, освоенной на данном этапе эволюции МП. Рассмотрим кратко особенности первых трех поколений МП.

1.4.1. Микропроцессоры 1 поколения. Первый МП был разработан фирмой INTEL и выпущен в 1971г. на основе p-МОП технологии (i4004). В 1972 и 1973 годах этой же фирмой были выпущены модели i4040, i8008. Фирма Rockwell выпустила модели МП PSS-4, PSS-8. Все они могут быть отнесены к МП 1 поколения, характеристиками которого являются:

· разрядность - 4..8 бит;

· технология - p-МОП;

· быстродействие (RR) - 5..60 мкС;

· тактовая частота - 200..800 КГц;

· совмещение шин адреса и данных;

· число вспомогательных ИС и СИС - 15..50;

· подсистемы прерываний и ПДП - отсутствуют.

Первые МП 1 поколения - 4-разрядные приборы, использовались для организации десятичной арифметики (калькуляторы). Так, i4004 имел 4-разрядное АЛУ с блоком десятичной коррекции, 16 РОНов, внутренний трехуровневый стек. Объем адресного пространства 212 (возможен выбор одного из 4 банков такого размера). Система команд включала 46 команд: пересылки, ввод/вывод, сдвиги, арифметические команды (+ - ФЗ).

В процессе эволюции МП первого поколения (МП-1) имело место увеличение разрядности (до 8) и некоторое расширение функций. Так, в i4040 добавлены логические операции, увеличен массив РОН (до24), введено одноуровневое прерывание. i8008 предназначался прежде всего для использования в системах управления. В нем, по сравнению с i4004, увеличена разрядность (до 8), добавлены логические команды, но исключен блок десятичной коррекции. Все МП-1 выпускались в стандартном 16-выводовом корпусе.

1.4.2. Микропроцессоры 2 поколения. Совершенствование технологии МОП, переход на n-МОП технологию привел к появлению МП второго поколения, которые отличались от МП-1 не только количественными характеристиками, но и качественно. В 1974г. был выпущен МП i8080, который стал первым и наиболее популярным МП второго поколения (МП-2). Он же положил начало семейству однокристальных МП, которому суждено было стать (и оставаться до настоящего времени) доминирующим на мировом рынке МП. Вслед за i8080 другими фирмами были выпущены МП со сходными (иногда несколько лучшими) характеристиками. Наиболее известными являются. Z80 фирмы Zilog и MS6800 (Motorola). Эти МП, как и i8080, имеют своих 16- и 32-разрядных " потомков". Характерными признаками МП-2 можно считать:

· переход на более прогрессивные технологии n-МОП и КМОП, позволившие повысить быстродействие МП до 2..2, 5 МГц (200..500 тыс. операций RR), снизить потребление мощности (КМОП);

· значительные архитектурные отличия: расширение системы операций, использование широкого набора способов адресации (прямая, косвенная, относительная, безадресная, непосредственная), введены подсистемы прерываний и прямого доступа в память (ПДП), предусмотрен механизм универсального стека;

· структурные отличия: шины адреса и данных разделены, уменьшено число вспомогательных ИС и СИС.

МП-2 пришли на смену МП-1, значительно расширив сферу применения МП. Правда, МП-1 (по признаку технологии p-МОП) возродились позже в новом качестве - дешевых приборов бытовой электроники.

Другая судьба ожидала МП-2. Появившиеся микропроцессоры третьего поколения (МП-3) стали развиваться параллельно с МП-2, причем МП-2 легли в основу т.н. однокристальных МП и микро-ЭВМ, а МП-3 - секционированных многокристальных МП.

1.4.3. Переход к третьему поколению МП связан со стремлением к увеличению быстродействия МПС и переходом на биполярные технологии - ТТЛ и ТТЛШ.

Исходя из соотношения dE´ dt = const,

где dt - время переключения, dE - энергия переключения

очевидно, что повышение быстродействия связано с увеличением рассеиваемой мощности, а следовательно - к снижению степени интеграции кристалла. Первые МП-3 приборы были двухразрядными, что не приводило к увеличению производительности МП, хотя тактовая частота увеличивалась значительно (на порядок). Это обстоятельство повлекло значительные структурные изменения в МП-3 по сравнению с МП-2:

· микропроцессоры выпускаются в виде секций со средствами межразрядных связей, позволяющими объединять в одну систему произвольное число секций для достижения заданной разрядности. В состав секций включалось АЛУ, РОН и некоторые элементы УУ;

· устройство управления вынесено на отдельный кристалл (группу кристаллов), общий для всех процессорных секций;

· за счет резерва внешних выводов (малая разрядность) предусмотрены отдельные шины ввода и вывода данных, адреса, причем данные от разных источников вводились по различным шинам. Так, первый МП-3 i3000 (серия К589 - отечественный аналог) имел три двухразрядные входные шины данных (от памяти, УВВ и УУ) и две выходные шины - данных и адреса;

· кристаллы управления реализуют УУ с программируемой логикой, что позволяет достаточно легко реализовать практически любую систему команд на фиксированной структуре операционного устройства.

1.4.4. Тенденции развития поколений. В настоящее время технология не является решающим фактором классификации МП, ибо появились разновидности технологий одного типа, обеспечивающие очень широкий спектр характеристик МП, широкое распространение получили комбинированные технологии (например, И2Л + ТТЛШ).

Современные микропроцессоры принято разделять на два больших класса: однокристальные и многокристальные. В свою очередь, однокристальные МП можно разделить на собственно микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ.

Направление развития однокристальных МП - непрерывное наращивание вычислительной мощности процессора за счет увеличения разрядности, расширения системы команд, появления дополнительных функций - Кэш-памяти, конвейера операций, встроенных процессоров плавающей запятой, аппаратной поддержки виртуальной памяти и др.

Однокристальные микро-ЭВМ, сохраняя вычислительную мощность процессора практически неизменной (на уровне 8-разрядного МП), содержат на кристалле все элементы МПС: тактовый генератор, память программ и данных, контроллеры параллельного и последовательного ввода/вывода, контроллеры прерываний, таймеры, а некоторые микро-ЭВМ - АЦП и ЦАП и другие спец. средства (например, динамические схемы управления восьмисегментной индикацией). Такие БИС можно непосредственно подключать к периферийным устройствам для создания микро-ЭВМ или включать в контур управления.

Многокристальные микропрограммируемые МП используются как элементная база " больших" ЭВМ или специализированных средств, для которых характерны нетрадиционные параметры.

На Рис. 1.1 показаны направления развития различных типов МПС.

Рис. 1.1. Микропроцессоры (дерево развития)

Из Рис. 1.1 видно, что наиболее многочисленное (и распространенное в мире) семейство микропроцессоров - INTEL. Далее будем иллюстрировать основные положения курса примерами организации МП этого семейства: однокристальные МП - i8080-i8086-i80286-i80386-i80486-Pentium-PentiumPro; однокристальные микро-ЭВМ - i8035-i8051/52

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒