Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Цифровая электроника
Промышленный цифровой контроллер

Цифровая электроника - это область электроники, включающая изучение цифровых сигналов и разработку устройств, которые их используют или производят. В этом отличие от аналоговой электроники и аналоговых сигналов .

Цифровые электронные схемы обычно состоят из больших сборок логических вентилей , часто упакованных в интегральные схемы . Сложные устройства могут иметь простое электронное представление функций булевой логики . [1]

История [ править ]

Система двоичного числа был уточнен Лейбниц (опубликованной в 1705) , и он также установлено , что при использовании двойной системы, принципы арифметических и логических могут быть объединены. Цифровая логика в том виде, в котором мы ее знаем, была детищем Джорджа Буля в середине 19 века. В письме 1886 года Чарльз Сандерс Пирс описал, как логические операции могут выполняться электрическими коммутационными схемами. [2] В конце концов, электронные лампы заменили реле для логических операций. Модификация Ли Де Фореста в 1907 году клапана Fleming может использоваться как вентиль AND . Людвиг Витгенштейнпредставил версию 16- строчной таблицы истинности как предложение 5.101 из Tractatus Logico-Philosophicus (1921). Вальтер Боте , изобретатель схемы совпадений , в 1924 году получил Нобелевскую премию по физике за первый современный электронный логический элемент И.

Механические аналоговые компьютеры начали появляться в первом веке, а затем использовались в средневековье для астрономических расчетов. Во время Второй мировой войны механические аналоговые компьютеры использовались для специализированных военных приложений, таких как расчет наведения торпед. В это время были разработаны первые электронные цифровые вычислительные машины. Первоначально они были размером с большую комнату и потребляли столько же энергии, сколько несколько сотен современных персональных компьютеров (ПК). [3]

Z3 был электромеханический компьютер разработан Конраду Цузе . Законченный в 1941 году, это был первый в мире работающий программируемый , полностью автоматический цифровой компьютер. [4] Этому способствовало изобретение вакуумной лампы в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом .

В то время как цифровые вычисления заменили аналоговые, чисто электронные элементы схемы вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты. Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом в Bell Labs в 1947 году, а затем Уильям Шокли изобрел биполярный транзистор в Bell Labs в 1948 году. [5] [6]

В Университете Манчестера команда под руководством Тома Килберна спроектировала и построила машину, использующую недавно разработанные транзисторы вместо электронных ламп. [7] Их первый транзисторный компьютер и первый в мире был введен в эксплуатацию к 1953 году., 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 Texas Instruments в июле 1958 года Джек Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы (ИС), а затем успешно продемонстрировал первую работающую интегральную схему 12 сентября 1958 года. [8] Чип Килби был сделан из германия . В следующем году Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрел кремниевую интегральную схему. Основой для кремния Нойса IC был плоскостной процесс , разработанный в начале 1959 г. Жан Хоерни , который , в свою очередь здания на Mohamed Atalla «s поверхности кремния пассивацииМетод был разработан в 1957 году. [9] Эта новая технология, интегральная схема, позволила быстро и недорого изготавливать сложные схемы, располагая набор электронных схем на одной небольшой пластине («микросхеме») из полупроводникового материала , обычно кремния.

Цифровая революция и цифровая эпоха [ править ]

Дополнительная информация: Цифровая революция и цифровой век

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET), также известный как МОП - транзистора, был изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году [10] [11] [12] Преимущества МОП - транзистора включают в себя высокую масштабируемость , [13] доступность, [14] низкое энергопотребление и высокая плотность транзисторов . [15] Его высокая скорость включения -выключения электронного переключения также делает его идеальным для генерации импульсных последовательностей , [16] основы для электронных цифровых сигналов , [17] [18]в отличие от BJT, которые более медленно генерируют аналоговые сигналы, напоминающие синусоидальные волны . [16] Наряду с крупномасштабной интеграцией (БИС) МОП, эти факторы делают МОП-транзистор важным переключающим устройством для цифровых схем . [19] MOSFET - транзистор революции в электронной промышленности , [20] [21] и является наиболее распространенным полупроводниковым устройством . [11] [22] МОП-транзисторы являются фундаментальными строительными блоками цифровой электроники во время цифровой революции конца 20-го - начала 21-го веков. [12] [23] [24]Это проложило путь к цифровой эре начала 21 века. [12]

На заре создания интегральных схем каждый чип был ограничен всего несколькими транзисторами, а низкая степень интеграции означала, что процесс проектирования был относительно простым. Урожайность в обрабатывающей промышленности также была довольно низкой по сегодняшним меркам. Широкое распространение MOSFET-транзисторов к началу 1970-х годов привело к появлению первых микросхем крупномасштабной интеграции (LSI) с более чем 10 000 транзисторов на одном кристалле. [25] После широкого внедрения CMOS , типа логики MOSFET, к 1980-м годам миллионы, а затем и миллиарды MOSFET могли быть размещены на одном кристалле по мере развития технологии, [26] и хороший дизайн требовал тщательного планирования, что привело к новые методы проектирования . ВКоличество транзисторов как в отдельных устройствах, так и в общем объеме производства выросло до беспрецедентных высот. Общее количество транзисторов, выпущенных до 2018 года, оценивается в1,3 × 10 22 (13 секстиллионов ). [27] 

Беспроводная революция , введение и распространение беспроводных сетей , началось в 1990 - х годах и был включен широким принятием МОП - транзистора на основе усилителей РЧ мощности ( мощности MOSFET и LDMOS ) и радиочастотных схем ( РЧ КМОП ). [28] [29] [30] Беспроводные сети позволили общедоступную цифровую передачу без необходимости в кабелях, что привело к цифровому телевидению (цифровому телевидению), GPS , спутниковому радио , беспроводному Интернету и мобильным телефонам на протяжении 1990–2000-х годов.

Кодирование с дискретным косинусным преобразованием (DCT), метод сжатия данных , впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году [31] , сделал возможным практическую передачу цифровых носителей [32] [33] [34] с такими форматами сжатия изображений , как JPEG (1992), видео форматы кодирования, 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 было популяризировано YouTube , онлайн-платформой для видео, основанной Чадом Херли , Джаведом Каримом и Стивом Ченом в 2005 году, которая позволила передавать потоковое видео в формате MPEG-4 AVC (H.264), созданном пользователями, из любой точки Всемирная паутина . [39]

Свойства [ править ]

Преимущество цифровых схем по сравнению с аналоговыми схемами состоит в том, что сигналы, представленные в цифровом виде, могут передаваться без ухудшения качества, вызванного шумом . [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 приводит к легко масштабируемой системе. В аналоговой системе дополнительное разрешение требует фундаментального улучшения характеристик линейности и шума на каждом этапе цепочки сигналов .

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 избыточности позволяет восстановить исходные данные при условии, что 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, в сотовых телефонах с батарейным питанием часто используется аналоговый интерфейс с низким энергопотреблением для усиления и настройки радиосигналов от базовой станции. Однако базовая станция питается от сети и может использовать энергоемкие, но очень гибкие программные радиомодули . 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 с желаемой степенью точности . Найквиста-Шеннона теорема выборки обеспечивает важное руководство о том , как требуется много цифровых данных , чтобы точно изобразить заданный аналоговый сигнал.

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, хранимых непосредственно как линейная импульсно-кодовая модуляция , в худшем случае вызывает один щелчок. Вместо этого многие люди используют сжатие звука, чтобы сэкономить место для хранения и время загрузки, даже если одна битовая ошибка может вызвать большие нарушения.

Из-за эффекта обрыва пользователям может быть сложно определить, находится ли конкретная система на грани отказа или может ли она выдержать гораздо больше шума перед тем, как выйти из строя. Хрупкость цифровых технологий можно уменьшить, создав цифровую систему, обеспечивающую надежность. Например, в тракт прохождения сигнала можно вставить бит четности или другой метод управления ошибками . Эти схемы помогают системе обнаруживать ошибки, а затем либо исправлять ошибки , либо запрашивать повторную передачу данных.

Строительство [ править ]

Бинарные часы , ручной проводной на макетах

Цифровая схема обычно состоит из небольших электронных схем, называемых логическими вентилями, которые можно использовать для создания комбинационной логики . Каждый логический вентиль предназначен для выполнения функции логической логики при воздействии на логические сигналы. Логический вентиль обычно создается из одного или нескольких электрически управляемых переключателей, обычно транзисторов, но термоэлектронные клапаны использовались в прошлом. 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 виды PLD). Таблицы поиска могут выполнять те же функции, что и машины, основанные на логических вентилях, но их можно легко перепрограммировать без изменения схемы соединений. Это означает, что конструктор часто может исправить ошибки конструкции, не меняя расположение проводов. Поэтому в продуктах небольшого объема программируемые логические устройства часто являются предпочтительным решением. Обычно они разрабатываются инженерами, использующими программное обеспечение для автоматизации электронного проектирования.

Интегральные схемы состоят из нескольких транзисторов на одном кремниевом кристалле и являются наименее затратным способом создания большого количества взаимосвязанных логических вентилей. Интегральные схемы обычно соединяются между собой на печатной плате, которая представляет собой плату, которая содержит электрические компоненты и соединяет их вместе медными дорожками.

Дизайн [ править ]

Инженеры используют множество методов, чтобы минимизировать логическую избыточность , чтобы уменьшить сложность 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 двоичных решений , логическая алгебра , карты Карно , алгоритм Куайна – Маккласки и эвристический компьютерный метод . Эти операции обычно выполняются в системе автоматизированного проектирования .

Встроенные системы с микроконтроллерами и программируемыми логическими контроллерами часто используются для реализации цифровой логики для сложных систем, не требующих оптимальной производительности. Эти системы обычно программируются инженерами-программистами или электриками с использованием релейной логики .

Представление [ править ]

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 логических вентилей . 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 ключей (обычно транзисторов ). Это можно представить в виде таблицы истинности .

Большинство цифровых систем делятся на комбинационные 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 - это, вероятно, триггер , механизм, представляющий двоичную цифру или « бит ». Последовательные системы часто проектируются как конечные автоматы . 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 подкатегории. «Синхронные» последовательные системы меняют состояние сразу при изменении состояния тактового сигнала . «Асинхронные» последовательные системы распространяют изменения всякий раз, когда меняются входные данные. 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.

Для логического моделирования представления цифровых схем имеют форматы цифровых файлов, которые могут обрабатываться компьютерными программами.

Синхронные системы [ править ]

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 регистром состояний . 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 [ править ]

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. [a] 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 используемые асинхронных схемы включают синхронизатор триггера, переключатель debouncers и арбитр .

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 перевода [ править ]

Пример простой схемы с переключаемым выходом. Инвертор формирует комбинационную логику в этой схеме, а регистр хранит состояние.

Многие цифровые системы представляют собой машины потока данных . Они, как правило , разработаны с использованием синхронного перевода регистра логики , используя языки описания аппаратных средств , таких как VHDL или Verilog .

В логике передачи регистров двоичные числа хранятся в группах триггеров, называемых регистрами . Последовательный конечный автомат контролирует, когда каждый регистр принимает новые данные со своего входа. Выходы каждого регистра - это связка проводов, называемая шиной, по которой это число передается другим вычислениям. Расчет - это просто часть комбинационной логики. Каждое вычисление также имеет выходную шину, и они могут быть подключены ко входам нескольких регистров. Иногда регистр имеет на входе мультиплексор, так что он может хранить номер с любой из нескольких шин. [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. [ необходима цитата ]

Компьютерный дизайн [ править ]

Микропроцессор Intel 80486DX2

Самая универсальная логическая машина с переносом регистров - это компьютер . По сути, это автоматические двоичные счеты . Блок управления компьютера обычно представляет собой микропрограмму, выполняемую микропоследовательностью . 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 из микропрограммы управляют арифметико-логическим блоком , памятьюи 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 были созданы и асинхронные компьютеры . Одним из примеров является ядро ASPIDA DLX . [43] Другой был предложен ARM Holdings . [44]Преимущества скорости для асинхронных компьютеров не материализовались, потому что современные компьютерные конструкции уже работают со скоростью своего самого медленного компонента, обычно памяти. Они потребляют немного меньше энергии, потому что не требуется сеть распределения часов. Неожиданным преимуществом является то, что асинхронные компьютеры не производят спектрально чистый радиошум. Они используются в некоторых радиочувствительных контроллерах базовых станций мобильных телефонов. Они могут быть более безопасными в криптографических приложениях, поскольку их электрические и радиоизлучения труднее декодировать. [44]

Компьютерная архитектура [ править ]

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 [ править ]

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 подключениями питания фильтров .

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

Кроме того, там, где синхронизированные цифровые системы взаимодействуют с аналоговыми системами или системами, которые управляются от других часов, цифровая система может быть подвержена метастабильности, когда 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 [ править ]

Чтобы сэкономить дорогостоящие инженерные работы, большая часть усилий по проектированию больших логических машин была автоматизирована. Компьютерные программы называются « средствами автоматизации электронного проектирования » 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. Наиболее распространенным примером такого программного обеспечения является минимизатор эвристической логики Espresso .

В большинстве практических алгоритмов оптимизации больших логических систем используются алгебраические манипуляции или диаграммы двоичных решений , и есть многообещающие эксперименты с генетическими алгоритмами и оптимизацией отжига .

Для автоматизации дорогостоящих инженерных процессов некоторые EDA могут использовать таблицы состояний , описывающие конечные автоматы, и автоматически создавать таблицу истинности или таблицу функций для комбинационной логики конечного автомата. 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, сгенерированных компьютером, обычно оптимизируются с помощью программного обеспечения для минимизации логики, такого как Minilog .

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, могут 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 транзисторов и проводов на интегральной схеме или печатной плате .

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 тесты часто разрабатываются программными инструментами, называемыми « генераторами тестовых шаблонов ». Они генерируют тестовые векторы, исследуя структуру логики и систематически генерируя тесты для конкретных ошибок. Таким образом, покрытие сбоев может приблизиться к 100% при условии, что проект правильно сделан тестируемым (см. Следующий раздел).

После того, как проект существует, и его можно проверить и протестировать, его часто необходимо обработать, 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 [ править ]

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 «дизайн сканирования», перемещает тестовые биты последовательно (один за другим) от внешнего тестового оборудования через один или несколько последовательных регистров сдвига, известных как «цепочки сканирования». 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 под названием « JTAG » (названного в честь «Joint Test Action Group», которая его создала ).

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 [ править ]

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

Стоимость [ править ]

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 самые ранние 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 позволяли компьютеру управления Apollo управлять инерционной системой наведения 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 появлением интегральных схем сокращение абсолютного количества используемых микросхем стало еще одним способом 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 снижает количество компонентов, размер платы и даже энергопотребление. Основным мотивом уменьшения количества компонентов на печатных платах является снижение 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 вентили NAND являются простейшими в изготовлении цифровыми вентилями . Все остальные логические операции могут быть реализованы шлюзами NAND. Если для схемы уже требуется один логический элемент И-НЕ, а на одном кристалле обычно имеется четыре логических элемента И-НЕ, то оставшиеся элементы могут использоваться для реализации других логических операций, таких как логические и . Это могло бы устранить необходимость в отдельной микросхеме, содержащей эти разные типы вентилей.

Надежность [ править ]

«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 · 10 10  часов) [46] и нуждаются в них, потому что у них так много логических элементов.

Fanout [ править ]

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, использующие КМОП- транзисторы для переключателей, имеют разветвления около пятидесяти, а иногда могут быть намного выше.

Скорость [ править ]

«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. Впервые цифровая логика стала полезной, когда скорость переключения превысила 50  Гц , потому что это было быстрее, чем команда людей, работающих с механическими калькуляторами. Современная электронная цифровая логика обычно переключается на частоте 5  ГГц (5 · 10 9  Гц), а некоторые лабораторные системы переключаются на частоте более 1  ТГц (1 · 10 12  Гц) [ необходима ссылка ] .

Семейства логики [ править ]

Основная статья: Логическая семья

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.

Позже стали использовать электронные лампы . 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.

Первое семейство полупроводниковой логики было резисторно-транзисторной логикой . Это было в тысячу раз более надежным , чем трубы, RAN охладителем, и использовал меньше энергии, но имел очень низкий вентилятор в из 3. Диод-транзисторной логики улучшил разветвление до около 7, а также снижение мощности. В некоторых конструкциях DTL использовалось два источника питания с чередующимися слоями транзисторов NPN и PNP для увеличения разветвления.

Транзисторно-транзисторная логика (TTL) была 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.

Связанная с эмиттером логика очень быстрая, но потребляет много энергии. Он широко использовался для высокопроизводительных компьютеров, состоящих из множества компонентов среднего размера (таких как Illiac IV ).

Безусловно, наиболее распространенные цифровые интегральные схемы, построенные сегодня, используют логику CMOS , которая работает быстро, обеспечивает высокую плотность схемы и низкое энергопотребление на затвор. Это используется даже в больших быстрых компьютерах, таких как IBM System z .

Последние события [ править ]

В 2009 году исследователи обнаружили, что мемристоры могут реализовывать логическое хранилище состояний (подобное триггеру , импликации и логической инверсии ), обеспечивая полное логическое семейство с очень небольшим объемом и мощностью, используя знакомые полупроводниковые процессы CMOS. [48]

Открытие сверхпроводимости позволило разработать технологию схем быстрых квантов одиночного потока (RSFQ), в которой вместо транзисторов используются джозефсоновские переходы . В последнее время делаются попытки создать чисто оптические вычислительные системы, способные обрабатывать цифровую информацию с использованием нелинейных оптических элементов.

См. Также [ править ]

  • Булева алгебра
  • Комбинационная логика
  • Законы де Моргана
  • Формальная проверка
  • Язык описания оборудования
  • Интегральная схема
  • Логическое усилие
  • Семья логики
  • Логический вентиль
  • Минимизация логики
  • Логическое моделирование
  • Микроэлектроника
  • Звон
  • Последовательная логика
  • Клод Э. Шеннон
  • Прозрачная защелка
  • Нетрадиционные вычисления

Примечания [ править ]

  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 дюймов размером с настольный компьютер, конкурирующего с обычно компьютеры размером с комнату. [42]
  2. ^ Альтернативно, выходы нескольких элементов могут быть подключены к шине через буферы, которые могут отключатьвыходывсех устройств, кроме одного.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ноль, Линда; Лобур, Юлия (2006). Основы компьютерной организации и архитектуры . 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, CS, «Письмо Пирса к А. Маркуанду », датированное 1886 годом, сочинения Чарльза С. Пирса , т. 5, 1993, стр. 541–3. Предварительный просмотр Google. См. Беркс, Артур В. , «Обзор: Чарльз С. Пирс, Новые элементы математики », Бюллетень Американского математического общества v. 84, n. 5 (1978), pp. 913–18, см. 917. PDF Eprint .
  3. ^ В 1946 году ENIAC требовалось 174 кВт. Для сравнения, современный портативный компьютер может потреблять около 30 Вт; почти в шесть тысяч раз меньше. «Приблизительное энергопотребление настольных компьютеров и ноутбуков» . Пенсильванский университет. Архивировано из оригинала 3 июня 2009 года . Проверено 20 июня 2009 года .
  4. ^ "Пионер компьютеров заново, 50 лет спустя" . Нью-Йорк Таймс . 20 апреля 1994 г.
  5. ^ Ли, Томас Х. (2003). Дизайн 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 т . Джон Вили и сыновья . п. 14. ISBN 9783527340538.
  7. ^ Lavington, Саймон (1998), История Манчестер Компьютеры (2 -е изд.), Суиндон: Британское компьютерное общество, стр 34-35.
  8. ^ "Чип, который построил Джек" . Инструменты Техаса. 2008 . Проверено 29 мая 2008 года .
  9. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост технологии MOS . Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 46. ISBN 9780801886393.
  10. ^ "1960 - Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  11. ^ a b "Кто изобрел транзистор?" . Музей истории компьютеров . 4 декабря 2013 . Проверено 20 июля 2019 .
  12. ^ a b c «Триумф МОП-транзистора» . YouTube . Музей истории компьютеров . 6 августа 2010 . Проверено 21 июля 2019 .
  13. ^ Motoyoshi, М. (2009). «Через кремниевые переходники (TSV)». Труды IEEE . 97 (1): 43–48. DOI : 10.1109 / JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 .  
  14. ^ "Черепаха транзисторов побеждает в гонке - революция CHM" . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июля 2019 .
  15. ^ "Транзисторы поддерживают закон Мура" . EETimes . 12 декабря 2018 . Проверено 18 июля 2019 .
  16. ^ a b «Применение полевых МОП-транзисторов в современных схемах переключения мощности» . Электронный дизайн . 23 мая 2016 . Проверено 10 августа 2019 .
  17. ^ B. SOMANATHAN НАИРИТ (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. ^ Иосиф Migga Kizza (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. Перейти ↑ Chan, Yi-Jen (1992). Исследования гетероструктурных полевых транзисторов InAIA / InGaAs и GaInP / GaAs для высокоскоростных приложений . Мичиганский университет . 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 . Вайли . 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. ^ Golio, Mike; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии . CRC Press . п. 18–2. ISBN 9781420006728.
  23. ^ Реймер, Michael G. (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 С. (1973). «Металл-оксид-полупроводники». Scientific American . 229 (2): 48–59. Bibcode : 1973SciAm.229b..48H . DOI : 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 подсчет: длинный и извилистый путь к самому часто производимому человеческому артефакту в истории» . Музей истории компьютеров . 2 апреля 2018 . Проверено 12 октября 2020 .
  28. ^ Golio, Mike; Голио, Джанет (2018). ВЧ и СВЧ пассивные и активные технологии . CRC Press . pp. ix, I-1, 18–2. ISBN 9781420006728.
  29. Перейти ↑ Rappaport, TS (ноябрь 1991 г.). «Беспроводная революция». Журнал IEEE Communications . 29 (11): 52–71. DOI : 10.1109 / 35.109666 . S2CID 46573735 . 
  30. ^ "Беспроводная революция" . Экономист . 21 января 1999 . Проверено 12 сентября 2019 .
  31. ↑ Ахмед, Насир (январь 1991 г.). «Как я пришел к дискретному косинусному преобразованию» . Цифровая обработка сигналов . 1 (1): 4–5. DOI : 10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z .
  32. ^ а б Леа, Уильям (1994). Видео по запросу: Research Paper 94/68 . 9 мая 1994: Библиотека Палаты общин . Архивировано из оригинального 20 сентября 2019 года . Проверено 20 сентября 2019 года .CS1 maint: location ( ссылка )
  33. ^ Фролов, Артем; Примечаев, С. (2006). «Получение сжатых изображений домена на основе DCT-обработки». Семантический ученый . Кириллович 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. ^ a b 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 . Дата обращения 13 октября 2019 .
  36. Перейти ↑ Luo, Fa-Long (2008). Стандарты мобильного мультимедийного вещания: технологии и практика . Springer Science & Business Media . п. 590. ISBN 9780387782638.
  37. ^ Britanak, 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. DOI : 10,1109 / TASL.2010.2087755 . S2CID 897622 . 
  38. ^ Shishikui, Ёшиаки; 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. DOI : 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 ISBN 0-521-37095-7 стр. 471 
  41. ^ Майни. АК (2007). Принципы, устройства и приложения цифровой электроники. Чичестер, Англия: John Wiley & Sons Ltd.
  42. ^ Pentagon симпозиум: Коммерчески Доступный общего назначения Электронные цифровые компьютеры Умеренная цена , Вашингтон, округ Колумбия, 14 MAY 1952
  43. ^ "ASODA sync / async DLX Core" . OpenCores.org . Проверено 5 сентября 2014 года .
  44. ^ a b Кларк, Питер. «ARM предлагает первое ядро ​​без тактового процессора» . eetimes.com . UBM Tech (универсальные деловые СМИ) . Проверено 5 сентября 2014 года .
  45. ^ Коричневый S & Vranesic Z. (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. ^ Kleitz, 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», Материалы Международного симпозиума IEEE / ACM 2009 г. по наноразмерным архитектурам IEEE Computer Society Вашингтон, округ Колумбия, США © 2009 г., дата обращения 2011-12-11

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дуглас Левин, Логический дизайн коммутационных схем , Нельсон, 1974.
  • Р. Х. Кац, « Современный логический дизайн» , издательство «Бенджамин / Каммингс», 1994.
  • П.К. Лала, Практическое проектирование и тестирование цифровой логики , Prentice Hall, 1996.
  • YK Chan, SY Lim, Progress In Electromagnetics Research 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.

Внешние ссылки [ править ]

  • Проекты цифровых схем: Обзор цифровых схем посредством реализации интегральных схем (2014)
  • Уроки в электрических цепях - Том IV (цифровой)
  • MIT OpenCourseWare: введение в материалы класса цифрового дизайна («6.004: Computing Structures»)