1. Типы цифровых устройств. Определение принадлежности устройства к первому или второму типу. Примеры устройств относящихся к первому и второму типу
 Скачать 241.58 Kb.
|
|
18. Память с последовательным доступом. Принцип построения стека. Примеры памяти с последовательным доступом: память FIFO(first input, first output) и память LIFO(last input, first output), или stack. LIFO (акроним Last In, First Out, «последним пришёл — первым ушёл») — способ организации и манипулирования данными относительно времени и приоритетов. В структурированном линейном списке, организованном по принципу LIFO, элементы могут добавляться и выбираться только с одного конца, называемого «вершиной списка». Структура LIFO может быть проиллюстрирована на примере стопки тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю, а чтобы снять последнюю, нужно снять все, лежащие выше. FIFO (акроним First In, First Out — «первым пришёл — первым ушёл») — способ организации и манипулирования данными относительно времени и приоритетов. Это выражение описывает принцип технической обработки очереди или обслуживания конфликтных требований путём упорядочения процесса по принципу: «первым пришёл — первым обслужен» (ПППО). Тот, кто приходит первым, тот и обслуживается первым, пришедший следующим ждёт, пока обслуживание первого не будет закончено, и так далее. Этот принцип аналогичен поведению лиц, стоящих в очереди, когда люди получают обслуживание в том порядке, в котором они занимали очередь. Стек представляет собой регистр сдвига, ячейками которого являются параллельные регистры. Для просмотра доступен только первый регистр (нулевой разряд регистра сдвига), адрес которого на каждом такте меняется, обращение регламентируется с помощью реверсивного счетчика. При включении rev, идет запись. Информация продвигается от D(i) к D(i+1) Структура n-разрядного стека глубиной k. Вершина стека – RG0. 19. Адресная память. Принцип построения статических ОЗУ. Адресная память основана на размещении данных в памяти по адресам хранения, в качестве которых служат номера ячеек. Код адреса однозначно определяет номера ячеек, в которых находится требуемая информация. Пример ROM, RAM: DRAM, SRAM (динамическая, статическая память) Примеры адресной памяти: постоянные запоминающие устройства ROM и оперативные запоминающие устройства RAM. Постоянные запоминающие устройства, имеющие диодные накопители, могут программироваться однократно ( ROM, PROM ). Постоянные запоминающие устройства, матрицы накопителей которых построены на полевых транзисторах, возможно многократно перепрограммировать. Это могут быть схемы с ультрафиолетовым стиранием информации (EPROM), или с электрическим стиранием (EEPROM). В матрице накопителя постоянного запоминающего устройства строки подключены к выходам дешифратора адреса, а столбцы – к шине данных. Оперативные запоминающие устройства делятся на 2 класса по структуре матриц накопителя. Это динамические ОЗУ (DRAM), имеющие ячейки накопителя емкостного типа, и статические ОЗУ (SRAM), в которых накопители строятся на основе триггерных ячеек. CS- вход выборки кристалла, W/R – запись/чтение, по N адресным линиям мы можем определить одну из двух ячеек матрицы. N=K/2 Все входы “S” и“R” объединены для одной матрицы. К одной матрице подходит одна линия данных. (т.к в каждый момент времени мы можем активировать только одну ячейку). Подключение линии данных «0» - вход активен по нулю Если активен буфер чтения, то мы подключаем ячейку к внутренней линии и мы подкл. ее к внешней линии. Вход CS – вход адресной области. Если выбор входа CS производится по старшим адресным линиям, это строничная организация, если по младшим – банковая организация. Регенерация и восстановление не требуется. Высокое быстродействие. 20. Адресная память. Принципы функционирования динамических ОЗУ. Ячейками накопителя являются увеличенная емкость затвор- сток полевых транзисторов. Емкость мгновенно отработать не может. Активизация ячейки по строке и столбцу производится в 2 этапа. Для этого шина адреса мультиплексируется. Четные линии несут адрес строки, нечетные адрес столбца. Ко времени поступления нуля на вход RAS, вход мультиплекс. ADR в нуле, на входах схемы адрес строки. По срезу (нулев. фронту) импульса на вход RAS адрес записывается в регистре защелки адреса строки. Выходы этого регистра соединены с дешифратором убирающем строку. Выбранная строка переписывается в регистр (при этом емкости разрешаются). Такой памяти необходима постоянная регенерация и восстановление состояния ячеек после обращения. Такая память имеет низкое быстродействие. 21. Адресная память. ПЗУ. Общая классификация. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. В постоянную память часто записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером. По структуре ячеек в матрице накопителя все ПЗУ можно разделить на 2 группы: 1. Ократнопрограммируемые на диодах. 2. Многократнопрограммируемые на транзисторах. По разновидностям микросхем ПЗУ По технологии изготовления кристалла: ROM — ( англ. read-only memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные. PROM — ( англ. programmable read-only memory, программируемое ПЗУ (ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем. EPROM — ( англ. erasable programmable read-only memory, перепрограммируемое/репрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ/РПЗУ)). (Память со стиранием с помощью фототока). Например, содержимое микросхемы К537РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом. EEPROM — ( англ electrically erasable programmable read-only memory, электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флеш-память ( англ. flash memory 22. Адресная память. Принцип построения репрограммируемых ПЗУ. По способу программирования микросхем (записи в них прошивки): 1. Непрограммируемые ПЗУ; 2. ПЗУ, программируемые только с помощью специального устройства — программатора ПЗУ (как однократно, так и многократно прошиваемые). Использование программатора необходимо, в частности, для подачи нестандартных и относительно высоких напряжений (до +/- 27 В) на специальные выводы. 3. Внутрисхемно (пере)программируемые ПЗУ (ISP, in-system programming) — такие микросхемы имеют внутри генератор всех необходимых высоких напряжений, и могут быть перепрошиты без программатора и даже без выпайки из печатной платы, программным способом EPROM (англ. Erasable Programmable Read Only Memory) — класс полупроводниковых запоминающих устройств, постоянная память, для записи информации (программирования) в которую используется электронное устройство-программатор и которое допускает перезапись. Представляет собой матрицу транзисторов с плавающим затвором индивидуально запрограммированных с помощью электронного устройства, которое подаёт более высокое напряжение, чем обычно используется в цифровых схемах. В отличие от PROM, после программирования данные на EPROM можно стереть (сильным ультрафиолетовым светом от ртутного источника света). EPROM легко узнаваем по прозрачному окну из кварцевого стекла в верхней части корпуса, через которое виден кремниевый чип и через которое производится облучение ультрафиолетовым светом во время стирания. Каждый бит памяти EPROM состоит из одного полевого транзистора. Каждый полевой транзистор состоит из канала в полупроводниковой подложке устройства. Контакты истока и стока подходят к зонам в конце канала. Изолирующий слой оксида выращивается поверх канала, затем наносится проводящий управляющий электрод (кремний или алюминий), и затем ещё толстый слой оксида осаждается на управляющем электроде. Плавающий затвор не имеет связи с другими частями интегральной схемы и полностью изолирован от окружающих слоёв оксида. На затвор наносится управляющий электрод, который затем покрывается оксидом. Для извлечения данных из EPROM адрес, представляющий значение нужного контакта EPROM, декодируется и используется для подключения одного слова памяти (как правило, 8-битного байта) к усилителю выходного буфера. Каждый бит этого слова имеет значение 1 или 0, в зависимости от того, был включён или выключен транзистор, был он в проводящем состоянии или непроводящем. Переключение состояния полевого транзистора управляется напряжением на управляющем затворе транзистора. Наличие напряжения на этом затворе создаёт проводящий канал в транзисторе, переключая его в состояние «включено». По сути накопленный заряд на плавающем затворе позволяет пороговому напряжению транзистора программировать его состояние. Для запоминания данных требуется выбрать нужный адрес и подать более высокое напряжение на транзисторы. Это создаёт лавинный разряд электронов, которые получают достаточно энергии, чтобы пройти через изолирующий слой окисла и аккумулироваться на управляющем электроде. Когда высокое напряжение снимается, электроны оказываются запертыми на электроде. Из-за высокой изолирующей величины оксида кремния, окружающего затвор, накопленный заряд не может утечь, и данные в нём хранятся в течение десятилетий. 23. Адресная память. Принцип построения многократно программируемых ПЗУ. EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), один из видов энергонезависимой памяти (таких как PROM и EPROM). Память такого типа может стираться и заполняться данными до миллиона раз. На сегодняшний день классическая двухтранзисторная технология EEPROM практически полностью вытеснена флеш-памятью типа NOR. Однако название EEPROM прочно закрепилось за сегментом памяти малой ёмкости независимо от технологии.П Принцип работы EEPROM основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области (кармане) полупроводниковой структуры. [1] Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта тунеллирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора (эффектHot carrier injection (англ.) русск. ). Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора что и регистрируется цепями чтения. Основная особенность классической ячейки EEPROM — наличие второго транзистора, который помогает управлять режимами записи и стирания. Некоторые реализации выполнялись в виде одного трехзатворного полевого транзистора (один затвор плавающий и два обычных). Эта конструкция снабжается элементами которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек. Соединение выполняется в виде двумерной матрицы, в которой на пересечении столбцов и строк находится одна ячейка. Поскольку ячейка EEPROM имеет третий затвор то помимо подложки к каждой ячейке подходят 3 проводника (один проводник столбцов и 2 проводника строк). 24. Общая классификация кристаллов программируемой логики. Как уже отмечалось ранее, существует тип кристалла, в котором все связи могут быть запрограммированы пользователем. Рассмотрим структуры таких кристаллов. Структура любого кристалла базируется на p-n переходе, но, соответственно возможностям описания цифрового устройства, эти переходы могут группироваться для построения матриц логических элементов (И – ИЛИ), или же для построения матриц простейших таблиц функционирования. Таким образом, ПЛИС делятся на два различных класса. Конструктивно ПЛИС состоит из внешней части, содержащей буферные и различные адаптирующие элементы, и внутренней части, состоящей из логических блоков, системы межсоединений этих блоков и элементов памяти конфигурации. Кристалл- программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма, используемая для создания цифровых интегральных схем.CPLD – комплексные программируемые логические устройства FPGA – программируемые пользователем вентильные матрицы. Любая логическая схема имеет внутреннюю и внешнюю часть. Схема устройства строится во внутренней части. Во внешней части находятся контактные площадки и все адаптирующие элементы. Любая внутренняя часть для любого типа состоит из логических блоков, определенным образом соединенных между собой. При рассмотрении класса кристалла необходимо рассматривать структуру логического блока, систему межсоединений и строение памяти конфигураций. CPLD (англ. complex programmable logic device — сложные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки, соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. FPGA (англ. field-programmable gate array) содержат блоки умножения- суммирования, которые широко применяются при обработке сигналов (DSP), а также логические элементы (как правило, на базе таблиц перекодировки — таблиц истинности) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. 25. Принцип построения ПЛМ и ПМЛ. Выполнение логических операций микроконтроллером или программируемой логической матрицей ( ПЛМ) позволяет унифицировать логическую часть автоматических устройств любой сложности. Такая микросхема содержит инверторы, элементы И и ИЛИ, соединенные друг с другом определенным образом, в том числе и с помощью легкоплавких перемычек ( проводников) внутри самой микросхемы. Путем электрической настройки ( иначе программирования) ненужные связи между элементами удаляются ( перемычки пережигаются), а требуемые оставляются. Недостаток такой архитектуры - слабое использование ресурсов программируемой матрицы "ИЛИ". Дальнейшее развитие получили микросхемы, построенные по архитектуре программируемой матричной логики (PAL - Programmable Array Logic ) - это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ". К этому классу относятся большинство современных ПЛИС небольшой степени интеграции. 26. Общая структура CPLD. Первый класс, CPLD, имеет структуру логического блока, представленную устройством ПМЛ (программируемой матричной логики) с параметрами для кристаллов фирмы Altera 36x80x16. Т.е. блок содержит 36 входов, 80 термов (элементов И) и 16 выходов (элементов ИЛИ). Матрица ИЛИ для ПМЛ связана, поэтому логический блок состоит из 16 макроячеек, в каждой из которых в элемент ИЛИ возможно подключение 5 термов. Для увеличения количества термов, включаемых в ИЛИ, в структуре блока содержится параллельный логический расширитель, для расширения состава терма служит разделяемый логический расширитель, подключающий инверсный выход 5 терма каждой макроячейки для доступа всем термам своего логического блока. Для сохранения информации предыдущего такта в состав макроячейки входит триггер. Система межсоединений CPLD представлена программируемой матрицей соединений, позволяющей соединить любую макроячейку с кристалла с другой, в котором из логических блоков она бы ни находилась. Такая структура строится по принципу программируемой логической матрицы (ПЛМ), матрица ИЛИ в которой полнодоступна. Система межсоединений, построенная на основе гибкой логики, позволяет предсказать задержки в схеме. 27. Структура макроячейки CPLD. Каждая МЯ содержит 1 триггер (для хранения предыдущего состояния функции). Максимальное количество логических блоков для таких структур-16. ПМС соединенный имеет структуры ПЛМ, таким образом каждая МЯ м.б. соединена с другой. Каждому из 36 выходов ПМС могут быть подсоединены как глобальные линии (синхронизация, сброс, установка буфера), так и локальные, идущие от внешних входов и выходов МЯ, представляющие собой промежуточные входы блоков. 28. (26) Принципы построения вентильных матриц (GA). Общая классификация. Вентиль – простейший базовый логический элемент И-НЕ или ИЛИ- НЕ. Эквивалентный вентиль – то количество переходов, из которых можно составить базовый логический элемент. Внутренняя часть такого кристалла представляет собой матрицу логических блоков. ЛБ для простейших схем вентильных матриц – это выделенное пространство переходов на основе которых строится узел схемы. ЛБ объединяются между собой через линии каналов. В первых вариантах вентильных матриц пытались внедрить бесканальную структуру, т.е. соединение логических блоков через свободные переходы на границах блоков. Однако такая структура не выносит работу на высоких частотах. Каналы также служат для отвода тепла. 29. (28)Структура логических блоков FPGA. Для FPGA первых двух поколений ЛБ разделились по структуре «зерна»: структура мелкого зерна повторяла структуру вентильной матрицы (ЛБ на основе цепочек логических элементов). Структура среднего зерна строилась на основе мультиплексоров. Структура среднего зерна базируется на запоминающих устройствах из 16-ти ячеек, которые носят название LUT (Look Up Tables). Она выглядит так: Основные недостатки первых 2х поколений это неопределенность задержки на каналах и жесткость конструкции ЛБ 30. (29) Система межсоединений FPGA. Принцип построения ПМС CPLD. В первых структурах система соединений была безканальная, ЛБ соединялись через граничные переходы, в последующих поколениях появились каналы между ЛБ. Затем блоки стали делить на подблоки ( макроячейки) которые объединялись между собой через локальную матрицу соединений, а ЛБ через глобальную. Локальная матрица соединений использует принцип ПМС в CPLD. Объединение только с помощью соединительных линий снижает гибкость функционирования схемы. Все эти недостатки устранялись в FPGA следующих поколений. Так, в схемах 3 поколения, ЛБ составлялись из подблоков – микроячеек, объединяемых с помощью локальной матрицы соединений, построенной на основе комбинаторной логики. Сами ЛБ соединены с помощью локальной матрицы соединений - канала. Кроме того в состав ЛБ стал входить встроенный блок памяти ( ВБП – это память типа SRAM, объемом 2к (т.е 2048 ячеек) с возможностью переконфигурации.) |