Transcript Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit

Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 1 (27)
1.9.2011 Fe
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
X/Y
EN
1
2
EN
0
1
2
3
&
&
&
&
1
2
X/Y
EN
0
1
2
3
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 2 (27)
1.9.2011 Fe
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
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Logiikkaperheet
Luku 7 Sivu 3 (27)
1.9.2011 Fe
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
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 4 (27)
1.9.2011 Fe
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
CMOS
Yleislogiikkapiirien tärkein sarja 54/74-sarja
Useita alisarjoja
• High Speed CMOS eli HC, esim. 74HC00 (käyttöjännite 2-6 V)
• Advanced CMOS eli AC, esim. 74AC00 (käyttöjännite 2-6 V)
• pienen käyttöjännitteen alisarjat
• LV, esim. 74LV00 (käyttöjännite 3,3 V)
• LVC, ALVC ja AVC (käyttöjännite 1,8 V - 3,3 V)
• AUC (käyttöjännite 0,8 V - 1,8 V)
Sekä vain keskenään että TTL-yhteensopivia piirejä saatavilla
• TTL on aikaisempi valtateknologia
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Käytännön porttipiirejä
Piirin
tunnus
74xx00
74xx02
74xx04
74xx08
74xx10
74xx11
74xx20
74xx27
74xx21
74xx30
74xx32
74xx133
Portteja
paketissa
2-tuloinen JA-EI-portti
4
2-tuloinen TAI-EI-portti
4
Invertteri
6
2-tuloinen JA-portti
4
3-tuloinen JA-EI-portti
3
3-tuloinen JA-portti
3
4-tuloinen JA-EI-portti
2
3-tuloinen TAI-EI-portti
3
4-tuloinen JA-portti
2
8-tuloinen JA-EI-portti
1
2-tuloinen TAI-portti
4
13-tuloinen JA-EI-portti
1
Luku 7 Sivu 6 (27)
1.9.2011 Fe
KäyttöEsimerkki: jännite
74HC00, SO- (VCC)
Porttityyppi
kotelo
1
14
&
2
&
13
3
12
4
11
5
&
&
10
6
9
7
8
Maa (GND)
Piirin nastanumerointi
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 7 (27)
1.9.2011 Fe
Loogiset tasot ja niiden jännitealueet
• Piirivalmistajat määrittelevät piirien toiminnat loogisilla tasoilla (logical
•
•
levels) L (low) ja H (high) siten, että signaalijännite UH > UL.
Kumpaakin loogista tasoa vastaa tietty jännitealue
Näiden välissä on kielletty alue
• Esimerkki: LVC-CMOS-logiikkapiirit, käyttöjännite 3,3 V
Jännite, V
3
2,0 V
0,8 V
Arvoa H vastaava jännitealue
H
2
1
0
Kielletty alue
Arvoa L vastaava jännitealue
L
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 8 (27)
1.9.2011 Fe
Positiivinen ja negatiivinen logiikkasopimus
• Loogisten signaalien arvot 0 ja 1 voidaan sitoa loogisiin tasoihin L ja H
kahdella tavalla
• positiivinen logiikkasopimus
• negatiivinen logiikkasopimus
?
1
Looginen
taso
Tasoa vastaava
jännitealue (esim.
LVC-CMOS)
H
L
2,0 - 3,3 V
0 - 0,8 V
H
1
L
0
Loogisen signaalin arvo
Positiivinen
Negatiivinen
logiikka
logiikka
1
0
0
1
• Yleensä käytännössä ja tässä opintojaksossa käytetään positiivista
logiikkasopimusta
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 9 (27)
1.9.2011 Fe
Negaatiomerkintä ja napaisuusmerkintä
• Piirrosmerkeissä ja piirikaavioissa käytetään
• negaatiomerkintää , kun toiminta määritellään
0
loogisten signaalien arvoja 0 ja 1 käyttäen
• napaisuusmerkintää
, kun toiminta
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
L
•
?
2
•
Esimerkki: EI-piiri negaatiomerkinnällä ja napaisuusmerkinnällä
1
1
1
H
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 10 (27)
1.9.2011 Fe
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 1:een tai
• johonkin toiseen tuloon
siten, että piirin toteuttama funktio
ei muutu
Esimerkki: toteuta funktio
F = B C + A B D JA-EI-porteilla.
Koska tulotermissä A B D on
kolme muuttujaa, tarvitaan
ainakin yksi kolmituloinen portti.
Yhdessä piiripaketissa on kolme
porttia, joten funktio voidaan
toteuttaa yhdellä piiripaketilla.
B
C
&
&
F
A
D
&
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Piirrosmerkki
Väylät ja kolmitilapiirit
• Piirien lähtöjä ei yleensä saa kytkeä yhteen
• Joskus on edullista käyttää yhteistä siirtotietä
•
•
•
Luku 7 Sivu 11 (27)
1.9.2011 Fe
IN
EN
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
IN1
lähettää signaalia väylään
EN1
Tarvitaan erityinen piirityyppi: kolmitilapiiri
IN2
(tri-state circuit) eli väylänajuri (bus driver)
EN2
eli väyläpuskuri (bus buffer)
IN3
• lähtö voidaan ohjata aktivointisignaalilla EN3
EN aktiiviseksi tai passiiviseksi
IN4
• passiivisena lähtö ei vaikuta väylän
EN4
signaaliarvoon
EN
OUT
Toimintataulukko
EN
0
1
OUT
Pass.
IN
Esimerkki
EN
EN
EN
EN
OUT
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 12 (27)
1.9.2011 Fe
Logiikkapiirien piiriparametrit
•
•
•
•
Kuvaavat piirien ominaisuuksia
Eri piiriperheillä ja -sarjoilla erilaisia
Esitetty piirien datalehdissä ja -kirjoissa
Riippuvat lämpötilasta ja ympäristön sähköisistä arvoista
tpd
tr
tf
• Etenemisviive ja muutosaika
• esitetään lähemmin seuraavassa kalvossa
• Tehonkulutus (power dissipation)
• lepotilassa (staattinen tehonkulutus)
PD
• muutostaajuuden funktiona (dynaaminen tehonkulutus)
• erityisen tärkeä akku- ja paristokäyttöisissä laitteissa
• Häiriömarginaali (noise margin)
Noise
• häiriöjännite, joka vaaditaan, jotta H  L tai L  H
• kuvaa piirin häiriöherkkyyttä
Margin
• riippuu suuresti piirin käyttöjännitteestä
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 13 (27)
1.9.2011 Fe
Etenemisviiveet ja muutosajat
• Etenemisviive (propagation delay: tpd, tPLH, tPHL)
• aika tulosignaalin muutoksesta lähtösignaalin vastaavaan
•
?
3
muutokseen, muutoksen 50 %:n kohdasta 50 %:n kohtaan
• voi olla sama (tpd) tai erilainen (tPLH, tPHL) eri suuntaisille muutoksille
Muutosaika (nousuaika, rise time: tr, laskuaika, fall time: tf)
• aika signaalin muutokselle L  H tai H  L, 10 %  90 % jänniteerosta
• voi olla sama tai erilainen eri suuntaisille muutoksille
A
1
A
tPLH
A
A
tf
tr
tPHL
tpd
tr
tf
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
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
Luku 7 Sivu 18 (27)
1.9.2011 Fe
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 19 (27)
1.9.2011 Fe
Yleistä logiikkapiirien piirrosmerkeistä
• Aiemmin monia erilaisia piirrosmerkkistandardeja eri puolilla maailmaa
• Nykyään yleisessä käytössä kansainvälinen standardi
• standardointityö käynnistyi IEC:ssä 1960-luvun puolivälissä
• ensimmäinen standardi IEC 117-15 vuonna 1972
• uusi standardi IEC 617-12 vuonna 1983 Esimerkki: JA-EI-portti
• uusi nimi IEC 60617-12 vuonna 1997
Yleinen
• 1.4.2004 alkaen tietokanta IEC 60617
tarkennusmerkki
• suomeksi SFS-EN 60617
Tulot
Lähtö
• sisältyy SFS-käsikirjaan e510
• Piirrosmerkin yleinen muoto
&
• suorakulmio
• sivujen suhde määrittelemätön
Tarkennus• Tulot vain vasemmalla
merkki
Ääriviiva
• Lähdöt vain oikealla
• Yleinen tarkennusmerkki, ääriviiva ja tarkennusmerkit
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 20 (27)
1.9.2011 Fe
Piirrosmerkeissä käytettäviä merkintöjä
4-bittinen binaarisummain
Yleinen
tarkennusmerkki
Tason
aktiivinen
arvo = L
Σ
0
P
0
3
Σ
0
3
Q
Signaalin
aktiivinen
arvo = 1
Signaalin
aktiivinen
arvo = 0
3
CI
Tason
aktiivinen
arvo = H
CO
Tarkennusmerkkejä
Dekooderi
1
2
Looginen
napaisuus
X/Y
EN
0
1
2
3
Looginen
komplementointi
1
2
X/Y
EN
0
1
2
3
Aktiivinen arvo ääriviivan
sisällä on aina H tai 1
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 21 (27)
1.9.2011 Fe
Yleisiä tarkennusmerkkejä
Merkki
&
1
=1
X/Y
MUX
DX, DMUX
Σ
ALU
SRGn
CTRn
RCTRn
CTR DIVn
ROM mXn
RAM mXn
PLD
Merkitys
JA-portti tai -toiminta
TAI-portti tai -toiminta
EHDOTON TAI -portti tai -toiminta
Koodimuunnin, esim BIN/OCT, HPRI/BIN, BCD/DEC
Tulovalitsin (multiplekseri)
Lähtövalitsin (demultiplekseri)
Summain
Aritmeettis-looginen yksikkö
n-bittinen siirtorekisteri
n-bittinen synkroninen binaarilaskuri
n-bittinen asynkroninen binaarilaskuri
DigitaaliLaskuri, jonka laskentajakson pituus on n tekniikka
(piirit)
Kiintomuisti, m sanaa x n bittiä
Vaihtomuisti, m sanaa x n bittiä
Ohjelmoitava logiikkaverkko
Lisä
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 22 (27)
1.9.2011 Fe
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
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 24 (27)
1.9.2011 Fe
Yhteinen ohjauslohko
• Piireissä, joissa on useita samanlaisia lohkoja ja näillä yhteisiä
signaaleita, käytetään yhteistä ohjauslohkoa (common control block)
Yhteisiä
tulosignaaleita
?
Yhteinen ohjauslohko
Yhteinen lähtösignaali
4
Samanlaiset
lohkot
Digitaalitekniikan matematiikka
Käytännön logiikkapiirit ja piirrosmerkit
Luku 7 Sivu 27 (27)
1.9.2011 Fe
Yhteenveto
• Logiikkapiirit kuuluvat perheisiin ja sarjoihin
• Tärkein logiikkaperhe on CMOS
• Logiikkasopimus määrittelee piirin loogisten tasojen ja signaalien arvojen
•
•
•
•
•
•
•
välisen vastaavuuden
Kolmitilapiireillä voidaan toteuttaa väyläratkaisuja
Logiikkapiirien keskeisiä ominaisuuksia nimitetään piiriparametreiksi
Logiikkapiirien keskeiset ajoitusparametrit ovat etenemisviive ja
muutosajat
Logiikkapiirien ominaisuuksiin ja käyttöön liittyvät tiedot on esitetty
datalehdissä ja -kirjoissa sekä komponenttivalmistajan www-sivuilla
Kansainvälisen standardin mukainen piirrosmerkki on suorakulmio
Piirrosmerkeissä käytetään yleistä tarkennusmerkkiä ja
tarkennusmerkkejä
Useihin samanlaisiin osiin liittyvät yhteiset signaalit voidaan esittää
yhteisessä ohjauslohkossa