Конструктивные характеристики интегральных микросхем

Многие характеристики МП такие же, как у других цифровых интегральных микросхем. Как и в других ИС, размер и сложность МП определяются макси шальными размерами кристаллов, изготовление которых может обеспечить современная технология производства. Ограничения, связанные с размерами кристалла и корпуса, лимитируют число связей между устройством и внешним миром. Функциональные характеристики МП аналогичны характеристикам других ИС; типичными из них являются уровни сигналов на входе и выходе потребляемая мощность, частота синхронизации, а также устойчивость к изменению питающих напряжений или условий окружающей среды.



Ограничения, связанные с размерами кристалла, означают, что большинство МП имеют простую структуру и малую длину слова. По мере усложнения схемы процессора усложняются его разработка, компоновка и изготовление. Для изготовления кристаллов, имеющих размеры, близкие к максимальным (в настоящее время около б мм2) требуются специальные производственные условия; даже в этом случае только один кристалл из 100 изготовленных работает правильно. Поэтому с приближением размеров кристаллов к максимальным стоимость МП сильно возрастает. Такие процессоры, как Motorola 6800, Intel 8080, Fairchild F-8 и Sigrietics 2650, изготовлены на кристалле размером 5X5 мм2. Разработчи ки сохраняют малый размер кристалла процессора путем ограничения числа и разрядности внутренних регистров и шин, числа соединений, числа и сложности системы команд и т. д. Тип и размеры корпуса МП оказывают влияние как на степень сложности монтажа МП. так и на его стоимость. Кристаллы БИС являются монолитными структурами — подсоединение можно осуществлять толь-кЬ через предусмотренные внешние выводы К содержимому внутренних регистров, признаков или шин нельзя иметь непосредственный доступ, если не предусмотрены соответствующие выводы. Внутреннее состояние МП также нельзя изменить непосредственно, если нет соответствующих выводов. Эта проблема не возникает в больших ЭВМ, использующих дискретные схемы; там за внутренним состоянием ЦП можно следить с помощью осциллографа и изменять его путем подачи соответствующих сигналов. Для управления кристаллом БИС требуется сложная система вводов; для определения содержимого внутренних регистров требуются специальные программы с помощью которых содержимое регистров выводится из МП.

Большое число выводов БИС упрощает разработку системы, так как можно иметь большое число входных и выходных сигналов. Однако корпуса с большим числом внешних выводов имеют большую стоимость, занимают большую площадь на печатной плате и требуют много соединений. Более простые (и дешевые) МП имеют корпуса с 16—28 выводами. Пример такого МП дан на рис. 1.12, а. Стандартные МП, такие, как Motorola 6800, показанный на рис. 1.12, б, имеют корпуса с 40 внешними выводами.



- Ограниченное число внешних выводов приводит к тому, что процессор дол-же1Г*использовать некоторые выводы для нескольких целей, например, для передачи данных к памяти и от памяти, как показано на рис. 1.13. Как система узнает, ц каком направлении передавать данные? Для этого процессор выдает сигнал /управления (READ/WRITE — «считывание'запись»), который имеет высокий уровень, когда процессор считывает сигнал из памяти, и низкий уровень, когда"он" записывает данные в память.



Процессор может использовать те же внешние выводы для передачи данных к устройствам и от устройств ввода-вывода, как показано на рис. 1.14. В этом случае процессору требуется другой сигнал управления (SECTION SELECT — «выбор устройства»).для того, чтобы различить операции передачи для памяти и для-У В В„. Этот сигнал может иметь высокий уровень для передачи в память и из памяти и низкий — для передачи в УВВ и из УВВ. Внешние схемы позволяют получать комбинации управляющих сигналов процессора. Например, схема ИЛИ (рис. 1.15) может выдать сигнал низкого уровня ЗАПИСЬ УВВ то ьчо тогда, когда процессор обращается к устройству вывода информации.

Кроме того, ограничение числа внешних выводов приводит к тому, что некоторые вводы и выводы должны соединяться с различного вида внешними устройствами, например клавиатурой, кассетными накопителями или устройствами считывания с ленты. В некоторый период времени только одно устройство может быть подключенным к внешним выводам ЦП, а остальные устройства не должны ему мешать. Система дешифрирования команд выбирает определенное устройство, которое должно быть подключено к выводам ЦП. Чтобы другие устройства не мешали обмену с выбранным, используется специальная шина, наиболее часто — шина, построенная на основе схем с тремя состояниями (тристабильная шина). Незадействованяые устройства в этом случае отключаются от шины.

Логические схемы могут быть также использованы для объединения входных сигналов. Сигнал RESET (гашение) может, например, войти или от удаленного концевого выключателя или с панели управления На рис. 1.16 показано

 

подсоединение этих источников сигнала гашения к вво^у RESET через схему ИЛИ. Внешние логические схемы позволяют увеличивать число сигналов управ ления, поступающих от процессора, и уменьшать число сигналов управления, поступающих в процессор.

Кроме того, временное мультиплексирование внешних выводов приводит к тому, что выходные данные процессор формирует на шине данных только на очень короткое время и что процессор может не сразу вызвать данные для ввода. Внешние буферные регистры (Latches) должны сохранять данные до тех пор. пока их можно будет передавать в ЦП или из ЦП должным образом.

Важной характеристикой БИС являются уровни сигналов на входе и выходе. Уровни сигналов на входах должны быть таковы, чтобы схема идентифицировала их правильно с гарантией; понятие уровня выходного сигнала относится к уровню напряжения, которое схема гарантированно выдает. Эти уровни зависят от температуры окружающей среды и нагрузки схемы

Чтобы две БИС (такие как МП и память) работали вместе, они должны правильно идентифицировать сигналы, генерируемые друг другом. Разработчик должен обратить внимание на защищенность системы от помех. Если требования помехоустойчивости не будут удовлетворены, то будут возникать ошибки и система будет вести себя неустойчиво. Правильность приема входных сигналов обеспечивается буферными схемами или преобразователями уровня. Однако такие устройства увеличивают стоимость системы и ее сложность, а также увеличивают время передачи сигналов. Преобразователи уровня могут понадобиться в системах, содержащих как ТТЛ, так и МОП -устройства, так как для МОП-устройства требуется более высокий уровень напряжения, чем для ТТЛ

Кристаллы БИС (в частности, устройства, изготовленные по МОП-технологии) могут иметь различные энергетические и временные характеристики Наиболее удобной ситуацией является такая, когда уровни напряжения питания и временные характеристики для схем всей системы будут одинаковыми. При применении МП и БИС памяти, изготовленных по ТТЛ-Шоттки- или К-МОП-технологии, так обычно и бывает. Однако более простые дг-МОП- и ^-МОП-системы требуют нескольких источников питания нестандартного уровня (т. е. уровня, отличного от напряжения 5 В) и сложных схем для временного согласования сигналов.



Канапе в офис доставка канапе.