Digital Design IE1204

Transkript

1 Digital Design IE24 F3 CMOS-kretsen, Implementeringsteknologier

2 IE24 Digital Design F F3 F2 F4 Ö Booles algebra, Grindar MOS-teknologi, minimering F5 F6 Ö2 Aritmetik Ö3 KK LAB Kombinatoriska kretsar F7 F8 Ö4 F9 Ö5 Multiplexor KK2 LAB2 Låskretsar, vippor, FSM F F Ö6 KK3 LAB3 FSM, VHDL introduktion F2 Ö7 F3 Asynkron FSM Ö8 F4 tentamen Minnen Föreläsningar och övningar bygger på varandra! Ta alltid igen det Du missat! Läs på i förväg delta i undervisningen arbeta igenom igen efteråt!

3 Detta har hänt i kursen Talsystem: Decimala, hexadecimala, oktala, binära (75,5) = ( AE.8) = (256.4) = (.) AND OR NOT EXOR EXNOR Sanningstabell, mintermer Maxtermer PS-form SP-form demorgans lag Bubbelgrindar Fullständig logik NAND NOR

4 Transistorn en omkopplare utan rörliga delar Gate Styrning Laddning Source Drain Omkopplare Kan leda ström (ström=laddning/tid) Principskiss för SiGe transistor (KTH)

5 Varför CMOS? CMOS-Transistorer är enkla att tillverka CMOS-Transistorer är gjorda av vanlig sand => billigt råmaterial En transistor är lätt att få att fungera som en switch (omkopplare)

6 P och N MOS-transistorer Pull Up Pull Down laddning laddning laddning laddning

7 Strukturen av en CMOS-krets Två olika nät: PMOS gör kretsens utgång NMOS gör kretsens utgång

8 Inverteraren V DD T En CMOS-krets består av både PMOS och NMOS-kretsar. CMOS står för (Complementary MOS). V x V f x T T 2 T 2 on off off on f (a) Circuit (b) Truth table and transistor states Area: A inverter = 2 Transistors

9 Inverteraren V x V DD T OFF V f x T T 2 T 2 ON En CMOS-krets består av både PMOS och NMOS-kretsar. CMOS står för (Complementary MOS). on off off on f (a) Circuit (b) Truth table and transistor states Area: A inverter = 2 Transistors

10 Inverteraren V DD T ON V x V f x T T 2 T 2 OFF En CMOS-krets består av både PMOS och NMOS-kretsar. CMOS står för (Complementary MOS). on off off on f (a) Circuit (b) Truth table and transistor states Area: A inverter = 2 Transistors

11 CMOS-inverterarens spänningsnivåer Utspänning V f V x V DD T V f T 2 Inspänning V x

12 Typiska signalnivåver för CMOS V Hmax Utgångsspänningar V O och ingångsspänningar V I passar varandra som hand i handske, och med marginal! V OHmin V OLmax Marginal er! V IHmin V ILmax V Lmin Matningsspänning 5.V 3.3V.8V V HMAX V IHMIN V LMAX V LMIN...

13 En instabil punkt! V out VDD CMOS-kretsen har en mycket stabil överföringsfunktion Vid V in =V DD /2 finns en instabil punkt, då både T och T 2 leder. Om en krets tillfälligt fastnar i detta läge så inträder ett tillstånd som kallas för metastabilitet. VDD Instabil punkt V in Om detta tillstånd varar för länge så kan transistorerna i kretsen skadas pga den höga strömmen. Vi återkommer till metastabilitet

14 CMOS - Dynamisk förlusteffekt! Klassisk CMOS har bara förlusteffekt precis vid omslaget. Förlusteffekten P F blir proportionell mot klockfrekvensen! P V f C 2 f C P f F F C DD f C V Power 2 DD losses Clockfrequency Supply Voltage

15 Snabbfråga: Vilken grind? VDD VA VB VO V A V B V O V SS () V SS () V SS () V DD () V DD () V SS () V DD () V DD () VSS

16 Snabbfråga: Vilken grind? VDD ON ON VA OFF VO VB OFF VSS V A V B V O V SS () V SS () V DD () V SS () V DD () V DD () V SS () V DD () V DD ()

17 Snabbfråga: Vilken grind? VDD OFF ON VA OFF VO VB ON VSS V A V B V O V SS () V SS () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD () V SS () V DD () V DD ()

18 Snabbfråga: Vilken grind? VDD ON OFF VA ON VO VB OFF VSS V A V B V O V SS () V SS () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD ()

19 Snabbfråga: Vilken grind? VDD OFF OFF VA ON VB ON VO VSS V A V B V O V SS () V SS () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD () V SS ()

20 NAND-grinden VDD VA VB VO V A V B V O V SS () V SS () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD () V SS () V DD () V DD () V DD () V SS () VSS Area: A NAND = 4 Transistors

21 AND-grinden! VDD VO VA VB AND NOT VSS Area: A AND = 6 Transistors!

22 NOR-grinden VDD VA VB VOH V A V B V OH V SS () V SS () V DD () V SS () V DD () V SS () V DD () V SS () V SS () V DD () V DD () V SS () VSS Area: A NOR = 4 Transistors

23 Negativ logik? Man kan också vända på begreppen och låta L (låg spänning) representera en logisk :a och låta H (hög spänning) representera en logisk :a. Detta kallas för negativ logik. En AND-funktion blir då en OR-funktion och vice versa. Negativ logik eller positiv logik är egentligen egalt, men av tradition använder man sig av positiv logik.

24 Three-state? En CMOS-grind kan förutom eller även förses med ett tredje utgångstillstånd Three-state Z ( = frånkopplad utgång ). Om många utgångar kopplas ihop till samma tråd ( buss ) så kan ju bara en av utgångarna åt gången få vara aktiv. De övriga hålls i Threestatetillståndet.

25 Three-state? En CMOS-grind kan förutom eller även förses med ett tredje utgångstillstånd Three-state Z ( = frånkopplad utgång ). Om många utgångar kopplas ihop till samma tråd ( buss ) så kan ju bara en av utgångarna åt gången få vara aktiv. De övriga hålls i Threestatetillståndet. ON ON

26 Three-state? En CMOS-grind kan förutom eller även förses med ett tredje utgångstillstånd Three-state Z ( = frånkopplad utgång ). Om många utgångar kopplas ihop till samma tråd ( buss ) så kan ju bara en av utgångarna åt gången få vara aktiv. De övriga hålls i Threestatetillståndet. OFF OFF

27 Three state Z Y = A Y ='Z' Connected inverter Unconnected inverter

28 Transmissionsgrinden (Pass gate) E A Q A E Q E Utan att gå in på kretsdetaljerna så består en transmissionsgrind av en PMOS-transistor i parallell med en NMOS-transistor. Grinden styrs med E (och E ) och är då att jämföra med en vanlig kontakt. En signal kan gå från A till Q, men även baklänges från Q till A. Transmissionsgrindskopplingar utnyttjar färre transistorer än andra grindar, men har sämre drivförmåga. Area: A TG = 2 Transistors

29 ( Transmissionsgrinden ) E E A OFF Q A Q OFF E E V A V E V OH L L Z L H L H L Z H H H A E E Q Transmissions grinden kan ses som en switch A Q som styrs av en signal E och dess invers E.

30 ( Transmissionsgrinden ) E E A ON Q A Q ON E E V A V E V OH L L Z L H L H L Z H H H A E E Q Transmissions grinden kan ses som en switch A Q som styrs av en signal E och dess invers E.

31 ON ( Inside story ) OFF E Transmission gate ON, both transistors are in parallell and contribute to the low On resistance of the switch. V S, V D V S, V D E The switch will work in both directions!

32 Vad är en multiplexor, MUX? En multiplexor är en dataväljare. Q=XS+YS X Y Q X Y Q S S

33 Förenklat ritsätt Exempel: MUX X Y Q X Y S Q Q=XS+YS S X Y S Bubbla Q Av inverteraren blir endast ringen kvar. Mellanliggande ledningar underförstås.

34 MUX med transmissionsgrind 2 MOS Sel X 2 MOS 2 MOS Y Q Area: A mux = 6 Transistors

35 MUX med transmissionsgrind 2 MOS Sel X Y 2 MOS ON OFF 2 MOS X Q Area: A mux = 6 Transistors

36 MUX med transmissionsgrind 2 MOS Sel X Y 2 MOS OFF ON 2 MOS Y Q Area: A mux = 6 Transistors

37 XOR med transmissionsgrind A B 2 MOS 2 MOS 2 MOS 2 MOS F = A B Area: A XOR = 8 Transistors Knappast självklart?

38 ( XOR med transmissionsgrind ) A B F F = B F = B

39

40 Fördröjningar i kretsar Alla ledningar i elektronikkretsar har kapacitans. Det tar ett tag för spänningar att nå slutvärdet. Dessa fördröjningar i kretsar och mellan kretsar begränsar snabbheten.

41 Typiska fördröjningar NAND,NOR, NOT NOT NAND-NAND AND-OR XOR,XNOR,MUX T NAND=standard T ½ T, T (om NAND-grind) 2T (2 NAND i rad) XOR,MUX (med TG) 2T 4T, 3T (NAND-NOT+NOR-NOT) 3 5T

42 Optimerade strukturer för MUX DeMorgan AND-OR NAND-NAND Area: A MUX = =2 Transistorer Delay: T MUX = 5T NAND Area: A MUX =2+4+4 = = Transistorer Delay: T MUX = 3T NAND Area: A MUX = 6 Transistorer Delay: T MUX = ~2T NAND Bäst!

43 Optimerade strukturer för XOR DeMorgan Area: A XOR = =22 Transistorer Delay: T XOR =5T NAND Area: A XOR = =2 Transistorer Delay: T XOR =3T NAND Nand only Area: A XOR = =6 Transistorer Delay: T XOR =3T NAND Area: A XOR =8 Transistorer Delay: T XOR =~2T NAND Bäst!

44 Fan-out och Fan-in Fan-out - en utgång driver många ingångar. Utgången lastas ned med summan av ingångarnas kapacitanserna => fördröjningen T blir last-beroende. Fan-in - en grind har många ingångar. Detta medför att den har fler inre kapacitancer => den inre fördröjningen T i (även kallad den intrinsiska fördröjningen) blir större.

45 Grindar med flera ingångar VA VB VC T i 3-input NAND VDD VQ Lång rad av seriekopplade transistorer ger långsam funktion! Spänningsdelning. Låg spänning över varje transistor VSS Man använder sällan grindar med fler än fyra ingångar.

46 Hög Fan-in löses med trädstrukturer Bara en kontakt?

47 Hög Fan-in löses med trädstrukturer 2

48 Hög Fan-in löses med trädstrukturer 2 3

49 Hög Fan-in löses med trädstrukturer 2 3 4

50 Hög Fan-in löses med trädstrukturer Nu fem kontakter!

51 Hög Fan-in löses med trädstrukturer DeMorgan Till priset av ökat grind-djup (fördröjning) ( c) b a c b a = ) ( ) ( d c b a d c b a = d c b a d c b a = + ) ( ) (

52 Fler trädstrukturer a + b + c + d = ( a + b) + ( c + d) a b c d = ( a b) ( c d) Till priset av ökat grind-djup (fördröjning), men effekten av inre kapacitanser hade blivit värre. a b c d = ( a b) ( c d) Kan Du bevisa dessa likheter?

53 Fan-out Antalet grindar som en grind driver betecknas som fan-out Alla grindar som drivs ökar den kapacitativa lasten x N f To inputs of n other inverters x V f To inputs of n other inverters C n = n C (a) Inverter that drives n other inverters (b) Equivalent circuit for timing purposes

54 Fan-out Fördröjningen för olika fan-outs V f for n = V DD V f for n = 4 Gnd Time

55 Buffer En buffer är en krets som implementerar funktionen f(x) = x ( det vill säga ut = in ) Idén med bufferten är att ökar drivförmågan av kapacitativa laster - För att öka drivförmågan så använder man större transistorer - Buffrar kan dimensioneras så att de kan driva större strömmar

56 Hög Fan-out använd buffer W 3W x En f x En f Z Z En x f Non-inverting Buffer High-Fan-Out Buffer Tri-state Buffer

57 Critical path (den längsta vägen) f = + + x x x2 x x2 x x2 x x x 2 f Vilken väg till utgången tar längst tid? x x x 2?

58 Critical path f = + + x x x2 x x2 x x2 x x x 2 f x x x 2 passerar alla var sin NOT, AND, och OR, på vägen mot utgången f, men x 2 belastas av tre ingångar, x och x bara av två. Critical path blir x 2!

59

60 Look-up-tables (LUT) Programmable cells / / / A LUT with n inputs can realize all combinational functions with n inputs The usual size in an FPGA is n=4 f / x 2 x Two-input LUT

61 Ex. XOR-funktion Programmed values Multiplexer x x 2 Two-input LUT f x x2 f

62

63 74-series standard chips

64 Standardkretsarna används mest som reservdelar Inte så dyra! Men många fler än skolorna behöver kretsarna. Det finns många kvar i lager

65 Implementering av en logisk funktion V DD 744 f = + x x x 2 2x x x 2 x 3 f

66 Hur testar man logiska funktioner? Man kan koppla upp funktionen och kontrollmäta! På kopplingsdäck: Kapsel layout: x x x 2 2x3 f = +

67 Hur testar man logiska funktioner? Inför laborationerna simulerar vi funktionerna med LTSpice! f = = + x x x 2 2x3

68 Kommer Du ihåg? Trevägs ljuskontroll Brown/Vranesic: 2.8. Antag att vi behöver kunna tända/släcka vardagsrummet från tre olika ställen. x 3 x 2 f x x 2 x 3 f x

69 Trevägs ljuskontroll x x 2 x 3 f f = m(,2,4,7) = xx2 x3 + xx2 x3 + xx2 x3 + xx2 x 3

70 NAND-NAND Om vi byter till NAND-NAND så behövs bara en sorts grindar. x x 2 x 3 f

71 Du måste skriva dit pinn-nummer i schemat annars kommer Du att villa bort dig! 2: 2:2 2:3 2:2 x 3 :2 : :4 :3 :2 :3 2: 2: 2:9 3: 3:3 3:2 # #2 #3 #4 3:3 3:4 3:5 2:8 3:2 3:6 4: 4:2 4:4 4:5 4:6 x x

72 På kopplingsdäck

73 Simulera sanningstabellen Något som Du vill fråga om?

74

75 Sammanfattning Logiska grindar kan implementeras med CMOS-teknologin CMOS-kretsar har en fördröjning CMOS-kretsar förbrukar relativ lite effekt

76 Facebooks första serverhall i Luleå. Argumenten är kylan och ett elnät som inte haft avbrott sedan 979.

77 Facebooks serverhall i Luleå Driften av de tusentals servrarna slukar enorma mängder energi. Fullt utbyggd kräver anläggningen 2 MW, mer än SSAB:s stålverk!

78 Hur skulle världen vara utan CMOS?

79