Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit

Transkriptio

1 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu (27) EN 2 EN X/Y X/Y EN X/Y X/Y 0 2 3

2 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 2 (27) Johdanto Tässä luvussa esitellään käsitteet logiikkaperhe ja -sarja esitellään CMOS-logiikkaperhe määritellään loogiset tasot ja logiikkasopimus esitetään käyttämättömien tulojen kytkemisperiaatteet ja väyläpiirit määritellään keskeiset piiriparametrit esitellään logiikkapiirien datalehdet ja -kirjat esitetään kansainvälisen standardin mukaisen digitaalipiirien piirrosmerkkijärjestelmän perusasiat esitetään yhteisen ohjauslohkon käyttö Luvun tavoitteena on tutustua logiikkapiireihin liittyviin keskeisiin käytännön asioihin oppia tuntemaan kansainvälisen standardin mukaisen piirrosmerkkijärjestelmän perusasiat oppia tulkitsemaan opintojaksossa käsiteltävissä piireissä käytettävät piirrosmerkit

3 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 3 (27) Logiikkaperheet LF Logiikkapiirejä tehdään erilaisilla toteutusteknologioilla Unipolaariset logiikkaperheet: toteutettu unipolaaritransistoreilla (sekä NMOS että PMOS; nykyään lähes yksinomaan käytössä) Bipolaariset logiikkaperheet: toteutettu bipolaaritransistoreilla (pääosin NPN; nykyään erittäin vähäisessä käytössä) Yhdistelmäpiirit eli BiCMOS-piirit: sekä uni- että bipolaaritransistoreja (erityiskäytössä) Teknologian ja piirien sisäisen perusportin rakenteen perusteella piirit ryhmitellään logiikkaperheiksi (logic family) Tietyn logiikkaperheen sisällä piirit ovat keskenään yhteensopivia eli ne voidaan suoraan kytkeä toisiinsa Eri logiikkaperheiden välillä saatetaan tarvita sovituspiirejä Perheiden sisällä on eri aikoina kehitettyjä sarjoja (series), jotka tietyin ehdoin ovat yhteensopivia, mutta joiden ominaisuudet poikkeavat toisistaan Eri perheiden keskeiset ominaisuudet ovat erilaisia, ja niitä on aiemmin käytetty erilaisissa käyttösovelluksissa

4 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 4 (27) CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor Nykyisin uusissa tuotteissa lähes pelkästään käytetty logiikkaperhe Mikroprosessorit, muistit ja muut PC-maailman piirit ovat CMOS-piirejä Unipolaarinen yleislogiikkaperhe: täysi valikoima piirejä porteista miljoonien transistorien erikoispiireihin Valtava määrä erilaisia piirejä eri käyttötarkoituksiin Yleislogiikkapiirien tärkein sarja 54/74-sarja CMOS Useita alisarjoja High Speed CMOS eli HC, esim. 74HC00 (käyttöjännite 2-6 V) dvanced CMOS eli C, esim. 74C00 (käyttöjännite 2-6 V) pienen käyttöjännitteen alisarjat LV, esim. 74LV00 (käyttöjännite 3,3 V) LVC, LVC ja VC (käyttöjännite,8 V - 3,3 V) UC (käyttöjännite 0,8 V -,8 V) Sekä vain keskenään että TTL-yhteensopivia piirejä saatavilla TTL on aikaisempi valtateknologia

5 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 5 (27) TTL: Transistor-Transistor-Logic Ensimmäinen todella laajaan yleiskäyttöön levinnyt logiikkaperhe Bipolaarinen yleislogiikkaperhe: täysi valikoima piirejä porteista keskinkertaisen mutkikkaisiin piireihin Valtava määrä erilaisia piirejä eri käyttötarkoituksiin Käyttöjännite 5 V Tärkein sarja 54/74-sarja Useita alisarjoja, joista uusimmat Low-Power Schottky eli LS, esim 74LS00 dvanced Low-Power Schottky eli LS, esim 74LS00 dvanced Schottky eli S, esim 74S00 Fast eli F, esim 74F00 Ei käytetä uusissa tuotteissa TTL Lisä

6 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 6 (27) Käytännön porttipiirejä Piirin Piirin Porttityyppi Portteja tunnus paketissa 74xx00 74xx00 2-tuloinen J-EI-portti 4 74xx02 74xx02 2-tuloinen TI-EI-portti 4 74xx04 74xx04 Invertteri 6 74xx08 74xx08 2-tuloinen J-portti 4 74xx0 74xx0 3-tuloinen J-EI-portti 3 74xx 74xx 3-tuloinen J-portti 3 74xx20 74xx20 4-tuloinen J-EI-portti 2 74xx27 74xx27 3-tuloinen TI-EI-portti 3 74xx2 74xx2 4-tuloinen J-portti 2 74xx30 74xx30 8-tuloinen J-EI-portti 74xx32 74xx32 2-tuloinen TI-portti 4 74xx33 3-tuloinen J-EI-portti Maa (GND) Piirin nastanumerointi Esimerkki: 74HC00, SOkotelo Käyttöjännite (VCC)

7 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 7 (27) Loogiset tasot ja niiden jännitealueet Piirivalmistajat määrittelevät piirien toiminnat loogisilla tasoilla (logical levels) L (low) ja H (high) siten, että signaalijännite U H > U L. Kumpaakin loogista tasoa vastaa tietty jännitealue Näiden välissä on kielletty alue Esimerkki: LVC-CMOS-logiikkapiirit, käyttöjännite 3,3 V Jännite, V 2,0 V 0,8 V rvoa H vastaava jännitealue Kielletty alue rvoa L vastaava jännitealue H L

8 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 8 (27) Positiivinen ja negatiivinen logiikkasopimus Loogisten signaalien arvot 0 ja voidaan sitoa loogisiin tasoihin L ja H kahdella tavalla positiivinen logiikkasopimus negatiivinen logiikkasopimus H L 0? Looginen taso Tasoa vastaava jännitealue (esim. LVC-CMOS) Loogisen signaalin arvo Positiivinen logiikka Negatiivinen logiikka H L 2,0-3,3 V 0-0,8 V 0 0 Yleensä käytännössä ja tässä opintojaksossa käytetään positiivista logiikkasopimusta

9 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 9 (27) Negaatiomerkintä ja napaisuusmerkintä? 2 Piirrosmerkeissä ja piirikaavioissa käytetään 0 negaatiomerkintää, kun toiminta määritellään loogisten signaalien arvoja 0 ja käyttäen napaisuusmerkintää, kun toiminta L määritellään loogisia tasoja H ja L käyttäen Piirikaaviossa saa käyttää vain joko negaatiomerkintää tai napaisuusmerkintää, ei molempia sekaisin Piirivalmistajat määrittelevät piirien toiminnan yleensä loogisia tasoja käyttäen määrittely ei riipu logiikkasopimuksesta totuustaulussa tai toimintataulukossa symboleina H ja L H Esimerkki: EI-piiri negaatiomerkinnällä ja napaisuusmerkinnällä

10 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 0 (27) Käyttämättömien tulojen kytkentä Digitaalipiirejä toteutettaessa jää usein käyttämättömiä tuloja piiripaketin useasta piiristä jokin jää kokonaan käyttämättä piiripaketista on käyttämättä esimerkiksi kolmituloinen portti, mutta tarvitaankin vain kaksituloinen Käyttämätöntä tuloa ei saa jättää ilmaan, vaan se on kytkettävä kiinteästi 0:aan, kiinteästi :een tai johonkin toiseen tuloon siten, että piirin toteuttama funktio ei muutu Esimerkki: toteuta funktio F = B C + B D J-EI-porteilla. Koska tulotermissä B D on kolme muuttujaa, tarvitaan ainakin yksi kolmituloinen portti. Yhdessä piiripaketissa on kolme porttia, joten funktio voidaan toteuttaa yhdellä piiripaketilla. B C D F

11 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu (27) Väylät ja kolmitilapiirit Piirien lähtöjä ei yleensä saa kytkeä yhteen Joskus on edullista käyttää yhteistä siirtotietä eli väylää (bus) aikajaettuna useille eri signaaleille tietokoneen dataväylä, esimerkiksi 32 bittiä rinnakkain aikajaettu tietoliikenneväylä, esimerkiksi 32 erillistä kanavaa samassa johtimessa Useiden eri piirien lähdöt on kytketty yhteen Vain yksi kerrallaan saa olla aktiivinen eli lähettää signaalia väylään Tarvitaan erityinen piirityyppi: kolmitilapiiri (tri-state circuit) eli väylänajuri (bus driver) eli väyläpuskuri (bus buffer) lähtö voidaan ohjata aktivointisignaalilla EN aktiiviseksi tai passiiviseksi passiivisena lähtö ei vaikuta väylän signaaliarvoon IN EN IN EN IN2 EN2 IN3 EN3 IN4 EN4 Piirrosmerkki EN Toimintataulukko EN EN OUT OUT 0 Pass. Pass. IN IN Esimerkki EN EN EN EN OUT OUT

12 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 2 (27) Logiikkapiirien piiriparametrit Kuvaavat piirien ominaisuuksia Eri piiriperheillä ja -sarjoilla erilaisia Esitetty piirien datalehdissä ja -kirjoissa Riippuvat lämpötilasta ja ympäristön sähköisistä arvoista Etenemisviive ja muutosaika t pd t r t f esitetään lähemmin seuraavassa kalvossa Tehonkulutus (power dissipation) lepotilassa (staattinen tehonkulutus) muutostaajuuden funktiona (dynaaminen tehonkulutus) P D erityisen tärkeä akku- ja paristokäyttöisissä laitteissa Häiriömarginaali (noise margin) häiriöjännite, joka vaaditaan, jotta H L tai L H kuvaa piirin häiriöherkkyyttä Noise Margin riippuu suuresti piirin käyttöjännitteestä

13 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 3 (27) Etenemisviiveet ja muutosajat? 3 Etenemisviive (propagation delay: t pd, t PLH, t PHL ) aika tulosignaalin muutoksesta lähtösignaalin vastaavaan muutokseen, muutoksen 50 %:n kohdasta 50 %:n kohtaan voi olla sama (t pd ) tai erilainen (t PLH, t PHL ) eri suuntaisille muutoksille Muutosaika (nousuaika, rise time: t r, laskuaika, fall time: t f ) aika signaalin muutokselle L H tai H L, 0 % 90 % jänniteerosta voi olla sama tai erilainen eri suuntaisille muutoksille t f t PLH t pd t r t f t PHL t r

14 Ominaisuus Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 4 (27) Yleislogiikkaperheiden ominaisuuksien vertailu Käyttöjännite HC 5 V CMOS LVC Perhe/sarja UC LS TTL S 3,3 V,2 V 5 V 5 V L-tason lähtöjännite 0, V 0,2 V 0,2 V 0,25 V 0,25 V H-tason lähtöjännite 4,9 V 3, V, V 3,4 V 3 V Virranantokyky 4 m 24 m 3 m 4 m 20 m Portin etenemisviive 9 ns 3 ns 2 ns 9 ns 2,5 ns Tehonkulutus/portti 25 µw 0 µw 0 µw 2 mw 6 mw Häiriömarginaali,4 V 0,4 V 0,22 V 0,45 V 0,45 V Lisä Esitetyt arvot ovat joko tyypillisiä tai valmistajan takaamia arvoja. Tehonkulutus on staattinen arvo (tehonkulutus, kun signaalit eivät muutu).

15 Hasardit Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 5 (27) Lisä Hasardi (hazard) on logiikkapiirin viiveistä johtuva virhetoiminta liittyy aina yhden tulosignaalin muutokseen lähtösignaalissa on tietyssä muutostilanteessa lyhyt virhepulssi, "glitch" esiintyy piireissä, joissa tulosignaali etenee useita eri reittejä lähtöön ja eri reiteillä on erilainen viive staattinen hasardi 0-hasardi -hasardi voi esiintyä SOP (-hasardi) ja POS (0-hasardi) -toteutuksissa voidaan aina poistaa lisäämällä piiriin portti tai portteja dynaaminen hasardi ei esiinny SOP- ja POS-toteutuksissa esiintyy vain usean tason piireissä, joissa signaalin etenemisteitä on vähintään kolme poistaminen edellyttää usein suuria muutoksia piirissä hasardin haitallisuus riippuu sovelluksesta erikseen harkittava pitääkö poistaa vai ei

16 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 6 (27) Esimerkki staattisesta hasardista F Lisä B C = C C C 0 B B = t pd B F = C + B Hasardi voi esiintyä siirryttäessä erillisestä -alueesta toiseen -alueeseen C 2 t pd Hasardi B t pd Ei hasardia F t pd hasardi ei hasardia

17 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 7 (27) Esimerkin staattisen hasardin poisto Lisä C = F C C B B B C C Lisätään tulotermi: -alueet eivät enää ole erillisiä B = Lisätty portti B B C F

18 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 8 (27) Logiikkapiirien datalehdet ja -kirjat Piirivalmistajat toimittavat käyttäjille Jokaisesta piiristä keskeiset tiedot sallitut maksimirasitukset (sähköiset ja lämpö-) suositeltavat käyttöolosuhteet (sähköiset ja lämpö-) toiminnan kuvaus toimintataulukko piirrosmerkki sähköiset ominaisuudet viiveet: tyypillinen ja maksimi, joskus myös minimi kotelotyypit Perinteisesti paperilla Nykyisin CD- tai DVD-levyllä Piirivalmistajan WWW-sivuilla tuoreimmat tiedot

19 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 9 (27) Yleistä logiikkapiirien piirrosmerkeistä iemmin monia erilaisia piirrosmerkkistandardeja eri puolilla maailmaa Nykyään yleisessä käytössä kansainvälinen standardi standardointityö käynnistyi IEC:ssä 960-luvun puolivälissä ensimmäinen standardi IEC 7-5 vuonna 972 uusi standardi IEC 67-2 vuonna 983 uusi nimi IEC vuonna alkaen tietokanta IEC 6067 suomeksi SFS-EN 6067 sisältyy SFS-käsikirjaan e50 Piirrosmerkin yleinen muoto suorakulmio sivujen suhde määrittelemätön Tulot vain vasemmalla Lähdöt vain oikealla Tulot Yleinen tarkennusmerkki, ääriviiva ja tarkennusmerkit Esimerkki: J-EI-portti Yleinen tarkennusmerkki Lähtö Ääriviiva Tarkennusmerkki

20 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 20 (27) Piirrosmerkeissä käytettäviä merkintöjä 4-bittinen binaarisummain Yleinen tarkennusmerkki CI P Q Σ Σ 0 3 CO Tason aktiivinen arvo = H Tason aktiivinen arvo = L Signaalin aktiivinen arvo = Signaalin aktiivinen arvo = 0 Tarkennusmerkkejä Dekooderi 2 EN 2 EN X/Y X/Y Looginen napaisuus ktiivinen arvo ääriviivan sisällä on aina H tai Looginen komplementointi

21 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 2 (27) Yleisiä tarkennusmerkkejä Merkki Merkitys J-portti tai -toiminta TI-portti tai -toiminta = EHDOTON TI -portti tai -toiminta X/Y Koodimuunnin, esim BIN/OCT, HPRI/BIN, BCD/DEC MUX Tulovalitsin (multiplekseri) DX, DMUX Lähtövalitsin (demultiplekseri) Σ Summain LU ritmeettis-looginen yksikkö SRGn n-bittinen siirtorekisteri CTRn n-bittinen synkroninen binaarilaskuri RCTRn n-bittinen asynkroninen binaarilaskuri Digitaalitekniikka CTR DIVn Laskuri, jonka laskentajakson pituus on n ROM mxn Kiintomuisti, m sanaa x n bittiä (piirit) RM mxn Vaihtomuisti, m sanaa x n bittiä PLD Ohjelmoitava logiikkaverkko Lisä

22 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 22 (27) Tuloihin ja lähtöihin liittyviä tarkennusmerkkejä Tarkennusmerkki Käyttötarkoitus ja merkitys Napaisuusmerkintä tulossa ja lähdössä (loogisella tasolla L aktiivinen tulo ja lähtö) Looginen komplementointi tulossa ja lähdössä (signaaliarvolla 0 aktiivinen tulo ja lähtö) EN Sallintatulo: sallii piirin kaikki lähdöt Kolmitilalähtö (väyläpiirissä) Dynaaminen tulo (reunaliipaistava kiikku) Digitaalitekniikka (piirit) Lisä

23 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 23 (27) Piirrosmerkkien yhdistäminen Lisä Ei yhteyttä Yhteisiä signaaleita Yhteiset signaalit voidaan merkitä

24 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 24 (27) Yhteinen ohjauslohko Piireissä, joissa on useita samanlaisia lohkoja ja näillä yhteisiä signaaleita, käytetään yhteistä ohjauslohkoa (common control block) Yhteisiä tulosignaaleita Yhteinen ohjauslohko? 4 Yhteinen lähtösignaali Samanlaiset lohkot

25 Riippuvuusmerkintä Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 25 (27) Riippuvuusmerkintä (dependence notation) on keskeinen merkintä piirrosmerkkijärjestelmässä Merkintä: kirjain ja numero tai muu merkki vaikuttavassa tulossa sama numero tai merkki vaikutuksen alaisessa tulossa tai lähdössä Lisä Esimerkki: J-riippuvuus X Y B C G G2 2 X Y B C

26 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 26 (27) Riippuvuusmerkinnät Lisä Merkintä Riippuvuus Käyttö ja merkitys C EN G M N R S V X Z Osoite Ohjaus Sallinta J Toimitapa Komplementointi Nollaus setus TI Siirto Kytkentä Muistipiirien osoitetuloissa Sekvenssipiirien kellotuloissa Signaalin aktiivisuuden sallinta J-funktio muun signaalin kanssa Valitsee toimitavan useista erilaisista Komplementoi signaalin (EHDOTON TI) Nollaa tilan (sekvenssipiireissä) settaa tilan (sekvenssipiireissä) TI-funktio muun signaalin kanssa Siirtoportin kytkennän sallinta Piirin sisäisissä kytkennöissä

27 Digitaalitekniikan matematiikka Luku 7 Sivu 27 (27) Yhteenveto Logiikkapiirit kuuluvat perheisiin ja ja sarjoihin Tärkein Tärkein logiikkaperhe on on CMOS CMOS Logiikkasopimus määrittelee piirin piirin loogisten tasojen tasojen ja ja signaalien arvojen arvojen välisen välisen vastaavuuden Kolmitilapiireillä voidaan toteuttaa väyläratkaisuja Logiikkapiirien keskeisiä ominaisuuksia nimitetään piiriparametreiksi Logiikkapiirien keskeiset ajoitusparametrit ovat ovat etenemisviive ja ja muutosajat Logiikkapiirien ominaisuuksiin ja ja käyttöön liittyvät liittyvät tiedot tiedot on on esitetty esitetty datalehdissä ja ja -kirjoissa sekä sekä komponenttivalmistajan www-sivuilla Kansainvälisen standardin mukainen piirrosmerkki on on suorakulmio Piirrosmerkeissä käytetään yleistä yleistä tarkennusmerkkiä ja ja tarkennusmerkkejä Useihin Useihin samanlaisiin osiin osiin liittyvät liittyvät yhteiset signaalit voidaan esittää esittää yhteisessä ohjauslohkossa