Mantık ailesi - Logic family

Gelen bilgisayar mühendisliği , bir mantık ailesi iki ilgili kavramlardan biri anlamlara gelebilir. Monolitik dijital entegre devre cihazlarının bir mantık ailesi , genellikle bir aile içinde uyumlu mantık seviyeleri ve güç kaynağı özellikleri ile birkaç farklı tasarımdan biri kullanılarak oluşturulan bir grup elektronik mantık kapısıdır . Birçok mantık ailesi, her biri sistemler oluşturmak için "yapı taşları" olarak veya daha karmaşık entegre devreleri birbirine bağlamak için "tutkal" olarak kullanılabilecek bir veya birkaç ilgili temel mantıksal işlevi içeren ayrı bileşenler olarak üretildi. Bir "mantık ailesi", VLSI entegre devreleri içinde mantığı uygulamak için kullanılan bir dizi tekniği de ifade edebilir. gibi , merkezi işlemci , bellekler ya da diğer kompleks fonksiyonlar. Bu tür bazı mantık aileleri, tasarım karmaşıklığını en aza indirmek için statik teknikler kullanır. Domino mantığı gibi diğer bu tür mantık aileleri, boyutu, güç tüketimini ve gecikmeyi en aza indirmek için saatli dinamik teknikleri kullanır .

Entegre devrelerin yaygın kullanımından önce, çeşitli katı hal ve vakum tüplü mantık sistemleri kullanılıyordu, ancak bunlar hiçbir zaman entegre devre cihazları kadar standart ve birlikte çalışabilir değildi. Modern en yaygın mantık ailesi yarı iletken cihazlar olup , metal oksit yarıiletken düşük güç tüketimi için, (MOS) mantık küçük tranzistör boyutları ve yüksek transistör yoğunluğu .

teknolojiler

Paketlenmiş yapı taşı mantık ailelerinin listesi, genel kısaltmalarıyla birlikte kabaca kronolojik giriş sırasına göre burada listelenen kategorilere ayrılabilir:

Aileler (RTL, DTL ve ECL), ilk bilgisayarlarda kullanılan ve orijinal olarak ayrı bileşenler kullanılarak uygulanan mantık devrelerinden türetilmiştir . Bir örnek, Philips NORBIT mantık yapı taşları ailesidir.

PMOS ve I 2 L mantık aileleri, çoğunlukla özel amaçlı özel büyük ölçekli entegrasyon devreleri cihazlarında nispeten kısa süreler için kullanıldı ve genellikle modası geçmiş olarak kabul edildi. Örneğin, erken dijital saatler veya elektronik hesap makineleri, bitmiş ürün için mantığın çoğunu sağlamak için bir veya daha fazla PMOS cihazı kullanmış olabilir. F14 CADC , Intel 4004 , Intel 4040 ve Intel 8008 mikroişlemciler ve onların destek cips PMOS idi.

Bu ailelerden sadece ECL, TTL, NMOS, CMOS ve BiCMOS halen yaygın olarak kullanılmaktadır. ECL, fiyat ve güç talepleri nedeniyle çok yüksek hızlı uygulamalar için kullanılırken, NMOS mantığı esas olarak bu makalenin kapsamı dışında kalan CPU'lar ve bellek yongaları gibi VLSI devre uygulamalarında kullanılır . Günümüzün "yapı taşı" mantık kapısı IC'leri ECL, TTL, CMOS ve BiCMOS ailelerine dayanmaktadır.

Direnç-transistör mantığı (RTL)

Ana madde: Direnç-transistör mantığı

Unvanlı Berry Bilgisayar direnci ile birleştirilmiş kullanılan vakum tüpü RTL benzer mantık devreleri. Birkaç erken transistörlü bilgisayar (örneğin, IBM 1620 , 1959), ayrı bileşenler kullanılarak uygulandığı yerde RTL kullandı.

1962'de Apollo Guidance Computer için Fairchild Semiconductor'da basit bir direnç-transistör mantığı entegre devreleri ailesi geliştirildi . Texas Instruments kısa süre sonra kendi RTL ailesini tanıttı. Entegre kapasitörlü bir varyant olan RCTL, hızı artırdı, ancak gürültüye karşı RTL'den daha düşük bağışıklığa sahipti. Bu, Texas Instruments tarafından "51XX" serisi olarak yapıldı.

Diyot-transistör mantığı (DTL)

Ana madde: Diyot-transistör mantığı

Diyot mantığı , 1940'larda ENIAC dahil olmak üzere en eski elektronik bilgisayarlarda vakum tüpleriyle kullanıldı . Diyot-transistör mantığı (DTL), ilk tamamen transistörlü bilgisayar olan IBM 608'de kullanıldı . Erken transistörlü bilgisayarlar, ayrık transistörler, dirençler, diyotlar ve kapasitörler kullanılarak uygulandı.

Entegre devrelerin ilk diyot-transistör mantık ailesi 1962'de Signetics tarafından tanıtıldı . DTL de Fairchild ve Westinghouse tarafından yapıldı . D-37C Minuteman II Kılavuz Bilgisayarı için Texas Instruments tarafından 1962'de bir diyot mantığı ve diyot-transistör mantığı entegre devreleri geliştirildi , ancak bu cihazlar halka açık değildi.

"Yüksek eşikli mantık" olarak adlandırılan bir DTL çeşidi, mantık 1 ve mantık 0 voltaj seviyeleri arasında büyük bir kayma oluşturmak için Zener diyotları içeriyordu . Bu cihazlar genellikle 15 voltluk bir güç kaynağıyla çalışır ve yüksek diferansiyelin gürültünün etkisini en aza indirmeyi amaçladığı endüstriyel kontrolde bulunurdu.

PMOS ve NMOS mantığı

Ana maddeler: PMOS mantığı ve NMOS mantığı
Daha fazla bilgi: MOSFET ve Tükenme yükü NMOS mantığı

P tipi MOS (PMOS) mantığı , mantık kapılarını ve diğer dijital devreleri uygulamak için p-kanal MOSFET'lerini kullanır . N-tipi MOS (NMOS) mantığı , mantık kapılarını ve diğer dijital devreleri uygulamak için n-kanal MOSFET'leri kullanır .

Eşit akım sürüş kapasitesine sahip cihazlar için, n-kanallı MOSFET'ler, p-kanallı MOSFET'lerden daha küçük yapılabilir, çünkü p-kanallı yük taşıyıcılar ( delikler ), n-kanallı yük taşıyıcılardan ( elektronlar ) daha düşük hareketliliğe sahiptir ve yalnızca bir tane üretir. bir silikon substrat üzerindeki MOSFET tipi daha ucuz ve teknik olarak daha basittir. Bunlar, yalnızca n-kanallı MOSFET'leri kullanan NMOS mantığının tasarımındaki sürüş ilkeleriydi . Ancak, CMOS mantığından farklı olarak kaçak akımı ihmal eden NMOS mantığı, anahtarlama olmadığında bile güç tüketir.

Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng bunlar MOSFET icat sonra, imal edilmiş bir ile iki PMOS ve NMOS cihazları 20 um işlemi Kökensel MOSFET elemanları 20 bir kapı uzunluğuna sahip 1960 yılında um ve kapı oksit kalınlığı 100 nm . Ancak, nMOS cihazları pratik değildi ve sadece pMOS tipi pratik çalışma cihazlarıydı. Birkaç yıl sonra daha pratik bir NMOS süreci geliştirildi. NMOS başlangıçta daha hızlı oldu CMOS böylece NMOS daha yaygın olarak 1970'lerde bilgisayarlar için kullanıldı. Teknolojideki gelişmelerle birlikte, CMOS mantığı, 1980'lerin ortalarında NMOS mantığının yerini alarak dijital çipler için tercih edilen süreç haline geldi.  

Verici-bağlı mantık (ECL)

Ana madde: Verici-bağlı mantık

Mevcut mod mantığı (CML) olarak da bilinen ECL ailesi, IBM tarafından , ayrı bileşenler kullanılarak uygulandığı transistörlü IBM 7030 Stretch bilgisayarında kullanılmak üzere mevcut yönlendirme mantığı olarak icat edildi .

Entegre devrelerde kullanılabilen ilk ECL mantık ailesi Motorola tarafından 1962'de MECL olarak tanıtıldı .

Transistör-transistör mantığı (TTL)

Ana madde: Transistör-transistör mantığı

Entegre devrelerin ilk transistör-transistör mantık ailesi, 1963'te Sylvania tarafından Sylvania Evrensel Yüksek Düzeyli Mantık (SUHL) olarak tanıtıldı. Texas Instruments , 1964'te 7400 serisi TTL ailesini tanıttı . Transistör-transistör mantığı , entegre devrelerini oluşturmak için bipolar transistörler kullanır. . TTL, eski türlerin yerini alan yeni sürümlerle birlikte yıllar içinde önemli ölçüde değişti.

Standart bir TTL geçidinin transistörleri doymuş anahtarlar olduğundan, her bir bağlantıdaki azınlık taşıyıcı depolama süresi, cihazın anahtarlama hızını sınırlar. Temel TTL tasarımındaki varyasyonların bu etkileri azaltması ve hızı, güç tüketimini veya her ikisini birden iyileştirmesi amaçlanır.

Alman fizikçi Walter H. Schottky Schottky etkisini öngören bir teori formüle etti ve bu da Schottky diyotuna ve daha sonra Schottky transistörlerine yol açtı . Aynı güç kaybı için, Schottky transistörleri, geleneksel transistörlerden daha hızlı bir anahtarlama hızına sahiptir, çünkü Schottky diyotu, transistörün şarjı doyurmasını ve depolamasını engeller; Baker kelepçesine bakın . Schottky transistörleriyle oluşturulan kapılar, normal TTL'den daha fazla güç kullanır ve daha hızlı geçiş yapar. İle Düşük güç Schottky (LS), iç direnç değerleri güç tüketimini azaltmak ve özgün sürüme göre hızını değiştirme artırmak için artırılmıştır. Advanced Low-power Schottky'nin (ALS) piyasaya sürülmesi, hızı daha da artırdı ve güç tüketimini azalttı. Normal Schottky TTL'den daha hızlı olan FAST (Fairchild Advanced Schottky TTL) (Schottky) (F) adlı daha hızlı bir mantık ailesi de tanıtıldı.

Tamamlayıcı MOS (CMOS) mantığı

Ana madde: CMOS

CMOS mantık kapıları, geliştirme modu N-kanalı ve P-kanalı alan etkili transistörün tamamlayıcı düzenlemelerini kullanır . İlk cihazlar oksit izoleli metal kapılar kullandığından, bunlara CMOS (tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken mantığı) adı verildi. TTL'nin aksine, CMOS statik durumda (yani girişler değişmediğinde) neredeyse hiç güç kullanmaz. Bir CMOS kapısı, sabit 1 veya 0 durumundayken sızıntıdan başka akım çekmez. Kapı durumları değiştirdiğinde, kapının çıkışındaki kapasitansı şarj etmek için güç kaynağından akım çekilir. Bu, CMOS cihazlarının mevcut çekişinin anahtarlama hızıyla arttığı anlamına gelir (tipik olarak saat hızıyla kontrol edilir).

Mantık entegre devrelerinin ilk CMOS ailesi, 1968'de RCA tarafından CD4000 COS/MOS , 4000 serisi olarak tanıtıldı . Başlangıçta CMOS mantığı, LS- TTL'den daha yavaştı. Ancak, CMOS'un mantık eşikleri güç kaynağı voltajıyla orantılı olduğundan, CMOS cihazları basit güç kaynaklarıyla pille çalışan sistemlere iyi bir şekilde uyarlanmıştır. Mantık eşikleri (yaklaşık olarak) güç kaynağı voltajıyla orantılı olduğundan ve bipolar devrelerin gerektirdiği sabit seviyelerle değil, CMOS geçitleri TTL geçitlerinden çok daha geniş voltaj aralıklarını tolere edebilir.

Bu tür dijital CMOS işlevlerini uygulamak için gerekli silikon alanı hızla küçüldü. Milyonlarca temel mantık işlemini tek bir çipte birleştiren VLSI teknolojisi , neredeyse yalnızca CMOS kullanır. Çip üstü kablolamanın son derece küçük kapasitansı, performansta birkaç büyüklük mertebesinde bir artışa neden oldu. 4 GHz kadar yüksek çip üzerinde saat hızları yaygın hale geldi, 1970'e kadar teknolojiden yaklaşık 1000 kat daha hızlı.

Güç kaynağı voltajını düşürme

Ana madde: LVCMOS

CMOS yongaları genellikle diğer mantık ailelerinden daha geniş bir güç kaynağı voltajı aralığıyla çalışır. Erken TTL IC'ler 5V'luk bir güç kaynağı voltajı gerektiriyordu , ancak erken CMOS 3 ila 15V kullanabilirdi. Besleme voltajını düşürmek, herhangi bir kapasitansta depolanan yükü azaltır ve sonuç olarak bir mantık geçişi için gereken enerjiyi azaltır. Azaltılmış enerji, daha az ısı dağılımı anlamına gelir. C kapasitansında depolanan enerji ve değişen V volt ½  CV 2'dir . Güç kaynağı 5V'dan 3,3V'a düşürülerek, anahtarlama gücü neredeyse yüzde 60 oranında azaltıldı ( güç kaybı , besleme voltajının karesiyle orantılıdır). Birçok anakartta, birçok CPU'nun ihtiyaç duyduğu daha da düşük güç kaynağı voltajlarını sağlamak için bir voltaj regülatör modülü bulunur .

HC mantığı

CD4000 serisi yongaların önceki TTL ailesiyle uyumsuzluğu nedeniyle, TTL ailesinin en iyilerini CD4000 ailesinin avantajlarıyla birleştiren yeni bir standart ortaya çıktı. 74HC (3.3V ila 5V güç kaynaklarının herhangi bir yerinde kullanılan (ve güç kaynağına göre mantık seviyeleri kullanılan)) ve 5V güç kaynakları ve TTL mantık seviyeleri kullanan cihazlar olarak biliniyordu .

CMOS–TTL mantık düzeyi sorunu

Mantık aileleri, 1 ve 0 durumlarını temsil etmek için farklı voltaj seviyeleri kullanabildiğinden ve diğer arayüz gereksinimleri yalnızca içinde karşılanabildiğinden, herhangi iki mantık ailesini birbirine bağlamak , genellikle ek çekme dirençleri veya amaca yönelik arayüz devreleri gibi özel teknikler gerektiriyordu . mantık ailesi.

TTL mantık seviyeleri, CMOS'unkinden farklıdır - genellikle bir TTL çıkışı, bir CMOS girişi tarafından mantık 1 olarak güvenilir bir şekilde tanınmaya yetecek kadar yükselmez. Bu sorun, CMOS teknolojisini ancak TTL giriş mantık seviyelerini kullanan 74HCT aygıt ailesinin icadıyla çözüldü. Bu cihazlar sadece 5V güç kaynağı ile çalışır. HCT orijinal TTL'den daha yavaş olmasına rağmen (HC mantığı, orijinal TTL ile yaklaşık olarak aynı hıza sahiptir) TTL için bir yedek oluştururlar.

Diğer CMOS aileleri

İçerisindeki diğer CMOS devre aileleri entegre devreler içerir kaskod gerilim şalter mantığı (CVSL) ve geçiş transistörü çeşitli türlerdeki (PTL). Bunlar genellikle "çip üzerinde" kullanılır ve yapı taşı orta ölçekli veya küçük ölçekli entegre devreler olarak teslim edilmez.

Bipolar CMOS (BiCMOS) mantığı

Ana madde: BiCMOS

Önemli bir gelişme, CMOS girişlerini ve TTL sürücülerini birleştirerek BiCMOS mantığı adı verilen ve LVT ve ALVT mantık ailelerinin en önemlileri olduğu yeni bir mantık aygıtı türü oluşturmaktı . BiCMOS ailesinin, ABT mantığı , ALB mantığı , ALVT mantığı , BCT mantığı ve LVT mantığı dahil olmak üzere birçok üyesi vardır .

Geliştirilmiş sürümler

HC ve HCT mantığı ve LS-TTL mantığının piyasada rekabet etmesiyle, yüksek hızı, düşük güç tüketimi ve eski mantık aileleriyle uyumluluğu birleştiren ideal mantık cihazını oluşturmak için daha fazla iyileştirmeye ihtiyaç olduğu ortaya çıktı. CMOS teknolojisini kullanan bir dizi yeni aile ortaya çıktı. Bu yeni cihazların en önemli aile tanımlayıcılarının kısa bir listesi şunları içerir:

AC/ACT mantığı , AHC/ AHCT mantığı , ALVC mantığı , AUC mantığı , AVC mantığı , CBT mantığı , CBTLV mantığı , FCT mantığı ve LVC mantığı ( LVCMOS ) dahil olmak üzere daha birçokları vardır .

Entegre enjeksiyon mantığı (IIL)

Ana madde: Entegre enjeksiyon mantığı

Entegre enjeksiyon mantığı (IIL veya I 2 L), mantık fonksiyonlarını uygulamak için bir akım yönlendirme düzenlemesinde bipolar transistörler kullanır . Bazı entegre devrelerde kullanıldı, ancak artık modası geçmiş olarak kabul ediliyor.

Monolitik entegre devre mantık aileleri karşılaştırıldığında

Aşağıdaki mantık aileleri ya flip-floplar, sayaçlar ve kapılar gibi fonksiyonel bloklardan sistemler oluşturmak için kullanılacak ya da bellek ve işlemciler gibi çok büyük ölçekli entegrasyon cihazlarını birbirine bağlamak için "tutkal" mantığı olarak kullanılacaktı. . Yaygın olarak kullanılmayan DCTL (doğrudan kuplajlı transistör mantığı) gibi 1960'ların başlarından bazı erken belirsiz mantık aileleri gösterilmemiştir.

Yayılma gecikmesi , iki girişli bir NAND geçidinin, girişlerinde bir durum değişikliğinden sonra bir sonuç üretmesi için geçen süredir. Geçiş hızı , bir JK flip flop'un çalışabileceği en yüksek hızı temsil eder. Kapı başına güç , tek bir 2 girişli NAND kapısı içindir; genellikle IC paketi başına birden fazla kapı olacaktır. Değerler çok tipiktir ve uygulama koşullarına, üreticiye, sıcaklığa ve belirli mantık devresine bağlı olarak biraz değişebilir. Giriş yılı , aileye ait cihazlardan en azından bazılarının sivil kullanımlar için hacim olarak mevcut olduğu zamandır. Bazı askeri uygulamalar sivil kullanımdan önceye dayanmaktadır.

Aile Açıklama Yayılma gecikmesi (ns) Geçiş hızı (MHz) Kapı başına güç @1 MHz (mW) Tipik besleme gerilimi V (aralık) giriş yılı Uyarılar
sağdan sola Direnç-transistör mantığı 500 4 10 3.3 1963 Entegre devrelerden yapılan ilk CPU ( Apollo Guidance Computer ) RTL kullandı.
DTL Diyot-transistör mantığı 25 10 5 1962 Signetics tarafından tanıtılan Fairchild 930 serisi, 1964 yılında endüstri standardı haline geldi.
PMOS MEM 1000 300 1 9 -27 ve -13 1967 General Instrument tarafından tanıtıldı
CMOS AC/ACT 3 125 0,5 3.3 veya 5 (2-6 veya 4.5-5.5) 1985 ACT, TTL uyumlu seviyelere sahiptir
CMOS HC/HCT 9 50 0,5 5 (2-6 veya 4.5-5.5) 1982 HCT, TTL uyumlu seviyelere sahiptir
CMOS 4000B/74C 30 5 1.2 10V (3-18) 1970 5 voltta yaklaşık yarım hız ve güç
TTL Orijinal seri 10 25 10 5 (4.75-5.25) 1964 Birkaç üretici
TTL L 33 3 1 5 (4.75-5.25) 1964 Düşük güç
TTL H 6 43 22 5 (4.75-5.25) 1964 Yüksek hız
TTL S 3 100 19 5 (4.75-5.25) 1969 Schottky yüksek hız
TTL LS 10 40 2 5 (4.75-5.25) 1976 Düşük güç Schottky yüksek hız
TTL ALS 4 50 1.3 5 (4.5-5.5) 1976 Gelişmiş Düşük güç Schottky
TTL F 3.5 100 5.4 5 (4.75-5.25) 1979 Hızlı
TTL OLARAK 2 105 8 5 (4.5-5.5) 1980 Gelişmiş Schottky
TTL G 1.5 1125 (1.125 GHz) 1.65 - 3.6 2004 İlk GHz 7400 serisi mantık
ECL ECL III 1 500 60 -5.2(-5.19 - -5.21) 1968 Geliştirilmiş ECL
ECL MECL I 8 31 -5.2 1962 ticari olarak üretilen ilk entegre mantık devresi
ECL ECL 10K 2 125 25 -5.2(-5.19 - -5.21) 1971 Motorola'nın
ECL ECL 100K 0.75 350 40 -4.5(-4.2 - -5.2) 1981
ECL ECL 100KH 1 250 25 -5.2(-4.9 - -5.5) 1981

Çip üzerinde tasarım stilleri

Çok çipli uygulamalarda kullanılması amaçlanan genel mantık aileleri yerine, büyük tek çipli uygulamaya özel entegre devreler (ASIC) ve CPU'ların tasarımında çeşitli teknikler ve tasarım stilleri öncelikle kullanılır.

Bu tasarım stilleri tipik olarak statik teknikler ve saatli dinamik teknikler olmak üzere iki ana kategoriye ayrılabilir . ( Her kategorinin avantajları ve dezavantajları hakkında bazı tartışmalar için statik ve dinamik mantığa bakın ).

statik mantık

  • Darbeli statik CMOS
  • Diferansiyel kademeli voltaj anahtarı (DCVS)
  • Cascode eşik olmayan mantık (CNTL)
  • Geçiş kapısı/aktarım kapısı mantığı: geçiş transistör mantığı (PTL)
  • Tamamlayıcı geçiş kapısı mantığı (CPL)
  • İtme-çekme mantığı
  • Çıktı tahmin mantığı (OPL)
  • Cascode voltaj anahtarı mantığı (CVSL)

dinamik mantık

  • dört fazlı mantık
  • domino mantığı
  • ayaksız domino taşı
  • NORA/fermuar mantığı
  • Çoklu çıkış domino
  • Bileşik domino taşı
  • Çift raylı domino taşı
  • Kendi kendini sıfırlayan domino
  • Örnek küme diferansiyel mantığı
  • Sınırlı anahtarlı dinamik mantık

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • HP Westman (ed), Radio Engineers 5th Edition için Referans Verileri , Howard W. Sams & Co., Indianapolis, 1968, ISBN yok, Library of Congress Card 43-14665
  • Savard, John JG (2018) [2005]. "Bilgisayarlar Nelerden Yapılır" . dörtlü blok . 2018-07-02 tarihinde kaynağından arşivlendi . 2018-07-16 alındı .
  • Teksas Enstrümanı. "Mantık Kılavuzu" (PDF) .