Плис типа «система на кристалле»

Современный уровень развития технологии производства интегральных микросхем позволяет разместить на одном кристалле ПЛИС несколько миллионов элементарных логических схем типа 2И – НЕ, 2ИЛИ – НЕ, при этом тактовая частота работы СБИС может достигать 1 ГГц и более. При таких возможностях на одном кристалле можно разместить целую цифровую систему. Это может быть процессор, память или интерфейсное устройство.

Несмотря на большое функциональное разнообразие, в цифровых системах самого разного назначения есть тем не менее функциональные узлы, присущие всем устройствам. Для реализации этих узлов, конечно, можно использовать и обычные средства программируемой логики. Но гораздо эффективнее их построение на основе специализированных областей, выделенных на кристалле для выполнения заранее определенных функций. Эти области носят название аппаратных ядер. Характерным отличием СБИС «система на кристалле» от всех остальных типов ПЛИС является наличие в них таких областей. Наряду с аппаратными ядрами в СБИС имеются и обычные универсальные средства программируемой логики, позволяющие синтезировать любое устройство.

Самым очевидным функциональным узлом, без которого не может быть построено большинство цифровых систем, является ОЗУ. Ядра, предназначенные для реализации ОЗУ, выполняются с небольшой емкостью. Хотя существуют системы, требующие больших объемов памяти, делать аппаратные ядра ОЗУ большой емкости экономически нецелесообразно, так как это резко снижает степень универсальности таких СБИС и сужает рынок их сбыта. Аппаратное ядро ОЗУ емкостью 256…512 бит занимает площадь на кристалле в десять раз меньшую, чем площадь, занимаемая средствами обычной программируемой логики, которая требуется для синтеза такого же ОЗУ. Кроме того, в несколько раз повышается быстродействие специализированного ОЗУ.

Кроме ОЗУ в виде аппаратных ядер эффективно реализуются такие специализированные узлы, как аппаратные умножители. Так, умножитель двух 8-битных слов занимает площадь, равную 1/5 площади, требующейся для реализации такого же умножителя с помощью логических блоков РРОА.

Еще одним направлением успешного применения аппаратных ядер являются интерфейсные узлы и контроллеры. Практически все цифровые системы, реализуемые в виде ПЛИС, требуют наличия интерфейсных узлов, стандартных для большинства применений. Например, для работы с шиной РСI, широко используемой в персональных компьютерах, в устройстве требуется соответствующий контроллер шины. Такой контроллер сам по себе  достаточно сложное устройство, и его реализация в виде аппаратного ядра СБИС «система на кристалле» очень эффективна.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы отличия однокристальных микропроцессоров от однокристальных микроЭВМ?

2. Дайте определение понятия «порт».

3. Дайте определение понятия «интерфейс».

4. Каковы отличия динамического ОЗУ от статического?

5. Перечислите виды ПЗУ и ОЗУ.

6. Для чего выполняется регенерация динамической памяти?

                                       

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Электроника является универсальным и эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматизации управления, выборки и преобразованию энергии и т.д. Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащена электронным устройством, и функции этих устройств становятся все более разнообразными. Рассмотренные в учебном пособии электронные устройства показывают большие возможности современной электроники. При этом все больше возрастает роль цифровых и программируемых устройств.

В связи с широким набором интегральных микросхем, параметры которых известны из технических условий, изменяются задачи, стоящие перед разработчиками автоматизированных систем. Если раньше значительная часть времени уходила на расчет режимов отдельных каскадов, определение их параметров, решение вопросов термостабилизации и т.д., то в настоящее время главное внимание уделяется вопросам выбора схем соединения и взаимного согласования микросхем.

    Типовые микроузлы позволяют собрать нужные электронные блоки без детального расчета отдельных каскадов. Разработчик технического устройства определяет, какие преобразования должен претерпеть электрический сигнал, подбирает необходимые интегральные микросхемы, разрабатывает схему их соединений и вводит обратные связи требуемого вида. И только в том случае, когда не удается решить какой-то конкретный вопрос путем выбора подходящей микросхемы, используются отдельные узлы на дискретных компонентах, требующие проведения соответствующих расчетов.

    Современные технические устройства становятся все более сложными, оснащенными программируемыми устройствами, памятью и многим другим. Для их разработки, освоения и эффективного использования необходимо знать принципы работы всех этих устройств.

    Усложняются и все более совершенствуются электронные компоненты, повышается их степень интеграции, производительность, уменьшаются габариты и потребление электроэнергии. Порой трудно себе представить, как удается разместить на одном кристалле современного микропроцессора несколько миллионов транзисторов. А ведь уже более десятка лет действует и продолжает действовать закон сформулированный одним из основателей фирмы Intel Гордоном Муром: «Мощность процессора удваивается каждые полтора года при сохранении его стоимости».

    Прогресс в области электроники изменил мир в ХХ веке. Появились компьютеры, информационные технологии, Internet, мобильные устройства связи, цифровая фото-, теле- видеотехника и многое другое.

    Еще большее влияние электроника будет оказывать на жизнь общества в ХХ1 веке.

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусев, В.Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В.Г.Гусев, Ю.М. Гусев. – 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш.шк.,2004.- 790 с.

2. Прянишников, В.А. Электроника: полный курс лекций / В.А.Прянишников. – 4-е изд.- СПб.: КОРОНА принт, 2004. – 416 с.

3. Миловзоров, О.В. Электроника: учеб.для вузов / О.В. Миловзоров, И.Г. Панков. – М.: Высш.шк.,2004. – 288 с.

4. Электротехника и электроника: учеб. для вузов: В 3 кн. Кн.3. Электрические измерения и основы электроники/ Г.П. Гаев, В.Г. Герасимов, О.М. Князьков [и др.]; под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432 с.

5. Старостин, О.В. Зарубежные микропроцессоры и их аналоги/ О.В. Старостин- М.: Радиософт, 2001. –Т. 1 – 6.

6. Евстигнеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы “Atmel”/ А.В. Евстигнеев. – M.: Додэка, 2002. – 288 с.

7. Ульрих, В.А. Микроконтроллеры PIC16X7XX/ В.А. Ульрих. - СПб.: Наука и техника, 2002. – 319 с.

8. Лачин, В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Ростов н/Д: Феникс, 2002. – 576 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.

 Пассивные элементы электронных устройств

 

Современные электронные устройства содержат помимо основных активных элементов – полупроводниковых или электровакуумных приборов – большое число пассивных элементов (резисторов и конденсаторов).

 

Резисторы

 

В зависимости от назначения постоянные резисторы подразделяют на резисторы:

1) общего применения (допустимые отклонения от номинала ±5;±10;  ±20 %);

2) прецизионные (с допусками ±0,01; ±0,02; ±0,05;±0,1;±0,2;±0,5%);

3) высокомегаомные (свыше 10 МОм):

4) высоковольтные (свыше 2 кВ);

Кроме постоянных резисторов выпускаются и переменные – подстроечные и регулировочные.

Подстроечные резисторы предназначены для подстройки электрических режимов работы схемы на этапе наладки и имеют небольшую износоустойчивость. Кроме того, для подстройки требуется вспомогательный инструмент (чаще всего отвертка). Регулировочные резисторы предназначены для проведения многократных регулировок в процессе эксплуатации устройства и, соответственно, имеют большую износоустойчивость. Проводящий элемент резистора выполняют в виде пленки материала высокого удельного сопротивления, осажденной на изоляционное основание; проволоки или микропроволоки; объемной конструкции.

На принципиальных электрических схемах резисторы обозначают согласно ГОСТ 2.728-74:

       Общее обозначение постоянного резистора

R

    Постоянные резисторы                                    

с мощностью рассеяния                        0,05 Вт

                                                                 0,125 Вт

                                                                 0,25 Вт

                                                                 0,5 Вт

                                                                 1 Вт

                                                                 2 Вт

                                                       

Переменный резистор

Подстроечный резистор

Продолжение прил.1

Основные параметры постоянного резистора:

 

1. Номинальное сопротивление (как и номинальная емкость конденсатора) должно соответствовать одному из шести рядов E6, E12, E24, E48, E96, E192 предпочтительных значений. Число в названии ряда указывает количество номиналов в ряду. В качестве примера в таблице приведены два ряда: E6 и E24.

           

Ряд	Числовые коэффициенты
Е6	1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8
Е24	1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3;   4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1

 

Номинальные сопротивления или емкости в каждой декаде соответствуют указанным в таблице числам или числам, полученным умножением или делением их на 10 ⁿ, где n - целое положительное или отрицательное число.

Номинал наносится на резистор несколькими способами: в виде записи типа 5К6, где К означает в конкретном примере килоомы и является одновременно запятой, т.е. получаем 5,6 кОм; в виде нескольких цветных полос, т.е. используется кодирование цветом; в виде трехразрядного (или четырехразрядного в случае прецизионных резисторов) числа, для нашего случая 5,6 кОм будут записаны числом 562, где 5,6 кОм = 5600 Ом = 56×10² Ом, т.е. последнее число означает число нулей после первых цифр.

2. Допуск  %,

где R _ном – номинал сопротивления, R _факт – фактическое сопротивление.

3. Номинальная мощность рассеивания – максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без изменения своих параметров более определенных пределов.

4. Предельное рабочее напряжение – напряжение, которое может быть приложено к резистору без нарушения его работоспособности.

5. Температурный коэффициент сопротивления (характеризует изменение сопротивления резистора при изменении температуры на 1 °С

 %,

где R ₀ – сопротивление при нормальной температуре; D T – изменение температуры; D R – изменение сопротивления.

 

 

Продолжение прил.1

 Конденсаторы

 

Конденсаторы также являются одним из наиболее массовых элементов электронных цепей. В основу классификации положено деление конденсаторов по виду диэлектрика и конструктивным особенностям. Вид диэлектрика определяет основные электрические параметры: сопротивление изоляции, стабильность емкости, потери и др. Конструктивные особенности определяют характер их применения: помехоподавляющие, подстроечные, импульсные и др.

К особому типу относятся электролитические конденсаторы. В них в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Он образуется на поверхности металла электролитическим путем. Отсюда и одно из названий таких конденсаторов. Второе название – оксидные конденсаторы, по типу диэлектрика.

Большинство типов конденсаторов нечувствительно к полярности приложенного напряжения. В связи с тем, что слой оксида обладает вентильными свойствами, электролитические конденсаторы полярны, и их подключение должно вестись с учетом обозначенной полярности электродов. В противном случае конденсатор выйдет из строя. Однако есть и неполярные электролитические конденсаторы с особой технологией изготовления. Малая толщина диэлектрика, большие диэлектрическая проницаемость и площадь оксидного слоя позволяют получать электролитические конденсаторы большой емкости (до сотен тысяч мкФ).

На принципиальных электрических схемах конденсаторы обозначают согласно ГОСТ 2.728-74:

       Конденсатор постоянной емкости

 

C

    Конденсатор постоянной емкости полярный

 

Основные параметры конденсаторов:

 

1) Номинальная емкость. Соответствует рядам Е3–Е24;

2) Допускаемое отклонение от номинала, в %;

3) Тангенс угла потерь tgd или добротность Q = 1/tgdхарактеризуют активные потери энергии в конденсаторе;

4) Номинальное напряжение (работает в заданных условиях в течение срока службы);

5. Температурный коэффициент емкости  %.

Окончание прил.1

 Катушки индуктивности и дроссели

 

Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для фильтрации цепей питания, не являются комплектующими изделиями, как резисторы и конденсаторы. Они уникально изготовляются на сборочных заводах и имеют необходимые для конкретного изделия параметры.

Одна из разновидностей катушек индуктивности – дроссели. Их основное назначение – обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных. Различают дроссели низкой и высокой частот. Низкочастотные дроссели используются в выпрямительных устройствах для создания сглаживающих пульсации фильтров при больших токах нагрузки (амперы – сотни ампер). Чтобы магнитная цепь дросселя с магнитопроводом была ненасыщенной, магнитопровод изготаовляют с небольшим воздушным зазором. Дроссели низкой частоты выпускаются серийно. Дроссели высокой частоты используют в высокочастотных электронных цепях. Они представляют собой катушки индуктивности без ферромагнитного сердечника, часто вообще без каркаса. При их изготовлении стремятся получить возможно меньшую собственную (паразитную) емкость.

На принципиальных электрических схемах катушки индуктивности и трансформаторы обозначают согласно ГОСТ 2.723-68:

	L

       Катушка индуктивности, дроссель без сердечника

 

    Дроссель с ферромагнитным сердечником

 

 

    Трансформатор двухобмоточный с отводом

 во вторичной обмотке

 

Приложение 2