Разработка специализированного цифрового узла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка специализированного цифрового узла

Задание на курсовой проект

Разработать распределитель тактовых импульсов, формирующий на выходах Zi в автоколебательном режиме из 24 входных импульсов (с выхода ГТИ) последовательности, показанные в таблице 1.

Возможны варианты реализаций на основе сдвигающего, реверсивного сдвигающего регистров, двоичного счетчика с дешифратором, реверсивного двоичного счетчика с дешифратором и др.

Таблица 1.

Введение

Широкое внедрение цифровой техники во многие отрасли науки и техники тесно связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции.

Спустя 10 лет практически все серийные ЭВМ строились не на транзисторах, а на цифровых ИС. Тогда же появились первые разработки ЭВМ четвертого поколения, отличающиеся широким внедрением больших интегральных микросхем (БИС). Именно свойства и характеристики БИС определяют технические характеристики перспективных ЭВМ. Среди современных БИС особое место занимают микропроцессоры (МП). Освоение в производстве МП, представляющих собой ИС с повышенной функциональной гибкостью, позволяет по-новому организовать обработку цифровых сигналов и поэтому надеяться на широкое внедрение цифровых методов обработки информации даже там, где применение электроники ранее не давало существенного эффекта. На базе микропроцессорных комплектов создаются достаточно емкие как универсальные, так и специализированные вычислительные устройства. В двадцатилетней истории развития технологии и схемотехники цифровых ИС можно условно выделить четыре этапа.

Первый (60-е годы) - разработка базовых серий ИС малой степени интеграции, выполняющих простые логические функции. Их применение стандартизовало многие процессы проектирования вычислительных средств. Были внедрены новые приёмы конструирования РЭА.

Второй этап (70-е годы) - разработка ИС средней степени интеграции, таких как счетчики, регистры, дешифраторы, матрицы ЗУ с числом эквивалентных элементов не более 1000. Функциональный состав разработанных на предыдущем этапе серий постоянно расширяется именно за счет ИС.

Массовое производство ИС малой и средней степени интеграции стало отправным пунктом для выпуска первых БИС с числом элементов до 10 тыс. Этот (условно - третий) этап развития относится к концу 70-х годов.

На четвертом этапе имеются технологические возможности изготавливать серийно БИС с числом элементов, на порядок большим.

За 30 лет развития цифровых микросхем базовые электронные ключи развивались в следующей последовательности: резистивно-транзисторная логика (РТЛ), резистивно-ёмкостная транзисторная логика (РЕТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (ТТЛШ), интегральная инжекционная логика (ИЛ). В этих обозначениях словом “логика” заменяется понятие “электронный ключ”.

Наряду с биполярными схемами широкое распространение получили цифровые микросхемы на МОП- структурах (на транзисторах p- и n- типов с обогащенным каналом, КМОП- схемы на дополняющих транзисторах). Серии РТЛ, РЕТЛ и ДТЛ хотя и продолжают выпускаться промышленностью, но используются только для комплектации серийной РЭА и не применяются в новых разработках. Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на МОП-структурах.

Темпы и объёмы вложений в микроэлектронику предопределили быстрый переход от больших интегральных схем (БИС) к сверхбольшим (СБИС), осуществлённый за счёт уменьшения размеров элементов. Снижение норм проектирования (размеров элементов) СБИС - это не только погоня за повышением технических характеристик вычислительных систем, но и снижение затрат на производство электронной аппаратуры.

Микроэлектроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. Непрерывно улучшаются технические показатели и расширяются функциональные возможности микроэлектронных изделий - интегральных микросхем.

Важнейшей задачей, решаемой с помощью методов и средств микросхемотехники, является схемотехническая разработка новых типов интегральных схем. Исходное техническое задание на проектирование микросхемы содержит описание функций, которые она должна выполнять в электронной аппаратуре, и требования к её основным параметрам (мощность, быстродействие и т.д.)

В современной микросхемотехнике используются различные варианты схем логических элементов и аналоговых каскадов. Поэтому на первом этапе схемотехнического проектирования микросхемы обычно производится выбор элементной базы из числа уже разработанных вариантов схем логических элементов или аналоговых каскадов.

Проектирование и производство микросхем сильно зависят от разработанной технологии, на базе которой будут изготовляться микросхемы. При проектировании новых типов интегральных микросхем микросхемотехника решает задачу разработки схемных и структурных решений, учитывающих и использующих специфические особенности интегральной технологии для наилучшего выполнения требований технического задания. Развитие микросхемотехники и технологии изготовления микросхем обеспечивает улучшение характеристик радиоэлектронной аппаратуры и расширения её функциональных возможностей, стимулируя дальнейшее внедрение микроэлектроники во все сферы человеческой деятельности.

1. Сравнительный анализ возможных вариантов реализации

Описание возможных вариантов реализации разрабатываемого узла на уровне функциональной схемы без конкретизации логического базиса.

При реализации данного узла было разработано три варианта схемы:

А) МИС;

Б) СИС;

В) БИС.

А) Реализация на основе малых интегральных схем

В данной реализации используется RS-триггер, пятиразрядный счетчик построенный на двухступенчатых D-триггерах, дешифратор построенный на основе прямых и инверсных выходов триггеров, логические элементы И, НЕ и ИЛИ. Запуск схемы осуществляется подачей на RS-триггер логической единицы со «START», с RS-триггера сигнал приходит на коньюнктор, где он согласуется с ГТИ. Сигнал с общего коньюнктора поступает на счетчик, а потом двоичный код поступает на дешифратор, после дешифратора сигналы распределяются по 10 выходам узла. Коньюнктор служит для согласования сигналов с ГТИ и с пускового триггера. Для остановки работы используется сигнал «STOP.

Б) Реализация на основе средних интегральных схем

В этом варианте используется двоичный счетчик, дешифратор.

Запуск схемы также осуществляется с подачей на RS-триггер логической единицы. Входные тактовые импульсы поступают на пятиразрядный счетчик, потом на дешифратор, выходы дешифратора соединяются с соответствующими выходами узла.

В) Реализация на основе больших интегральных схем

В данном варианте была использована ПМЛ, т.к. с помощью нее можно реализовать счетчик с дешифратором в одном корпусе. Для данной схемы был выбрана PLD 85C22V10. Это быстродействующая PLD с десятью макроэлементами, имеющая тактовую частоту до 71,4 МГц при использовании обратных связей и 100МГц при их отсутствии.

При подачи сигнала с ГТИ и внешнего сигнала с «START» происходит подача тактовых сигналов на CLK ПМЛ. На выходе B0 получается выходная функция.

Функции для ручного программирования ПМЛ:

,

где С_н = См + kСвх - емкость нагрузки; Свых - выходная емкость логического элемента (принимается 30 пФ); См - емкость монтажа (принимается 15 пФ); Свх - входная емкость элемента нагрузки (принимается 10 пФ или по паспортным данным); k - количество элементов нагрузки; F - частота переключения; E - напряжение питания.

2. Расчет мощности для каждого элемента