KÄYTÄNNÖN LOGIIKKAPIIRIT JA PIIRROSMERKIT X/Y 1 2 EN 3 HC EN & AC LV X/Y 1 2 EN 3 AUC

Johdanto Tässä luvussa esitellään käsitteet logiikkaperhe ja -sarja esitellään CMOS-logiikkaperhe määritellään loogiset tasot ja logiikkasopimus 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

LF Logiikkaperheet 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 erityisesti aiemmin käytetty erilaisissa käyttösovelluksissa

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 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 CMOS

TTL: Transistor-Transistor-Logic Lisä TTL: Transistor-Transistor-Logic Ensimmäinen todella laajaan yleiskäyttöön levinnyt logiikkaperhe Bipolaarinen yleislogiikkaperhe: täysi valikoima piirejä porteista keskinkertaisen mutkikkaisiin piireihin Valtava määrä erilaisia piirejä eri käyttötarkoituksiin Käyttöjännite 5 V Tärkein sarja 54/74-sarja Useita alisarjoja, joista uusimmat Low-Power Schottky eli LS, esim 74LS00 Advanced Low-Power Schottky eli ALS, esim 74ALS00 Advanced Schottky eli AS, esim 74AS00 Fast eli F, esim 74F00 Ei käytetä uusissa tuotteissa TTL

Käytännön porttipiirejä Esimerkki: 74HC00, SO- kotelo Piirin Porttityyppi Portteja tunnus paketissa 74xx00 2-tuloinen JA-EI-portti 4 74xx02 2-tuloinen TAI-EI-portti 4 74xx04 Invertteri 6 74xx08 2-tuloinen JA-portti 4 74xx10 3-tuloinen JA-EI-portti 3 74xx11 3-tuloinen JA-portti 3 74xx20 4-tuloinen JA-EI-portti 2 74xx27 3-tuloinen TAI-EI-portti 3 74xx21 4-tuloinen JA-portti 2 74xx30 8-tuloinen JA-EI-portti 1 74xx32 2-tuloinen TAI-portti 4 74xx133 13-tuloinen JA-EI-portti 1 VCC 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 & GND Piirin nastanumerointi

Loogiset tasot ja niiden jännitealueet Piirivalmistajat määrittelevät piirien toiminnat loogisilla tasoilla (logical levels) L ja H siten, että signaalijännite UH > UL. Kumpaakin loogista tasoa vastaa tietty jännitealue Näiden välissä on kielletty alue Esimerkki: CMOS-logiikkapiirit, käyttöjännite 4,5 V Jännite, V H 5 4 Arvoa H vastaava jännitealue 3,15 V 3 Kielletty alue 2 1,35 V L 1 Arvoa L vastaava jännitealue

Positiivinen ja negatiivinen logiikkasopimus HTOL Digitaalitekniikan perusteet Luku 4 Sivu 8 (49) 1998-1999 Luentokalvoseloste 12.6.1998 Fe Positiivinen ja negatiivinen logiikkasopimus Loogisten signaalien arvot 0 ja 1 voidaan sitoa loogisiin tasoihin L ja H kahdella tavalla positiivinen logiikkasopimus negatiivinen logiikkasopimus Yleensä käytännössä ja tässä opintojaksossa käytetään positiivista logiikkasopimusta H 1 L ? 1 Tasoa vastaava jännitealue (esim. HC-CMOS Loogisen signaalin arvo Looginen taso Positiivinen logiikka Negatiivinen logiikka H L 3,15 - 4,5 V 0 - 1,35 V 1 1

Negaatiomerkintä ja napaisuusmerkintä 1 Piirrosmerkeissä ja piirikaavioissa käytetään negaatiomerkintää , kun toiminta määritellään 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 Esimerkki: EI-piiri negaatiomerkinnällä ja napaisuusmerkinnällä L H ? 2 1 1

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

Väylät ja kolmitilapiirit Piirrosmerkki IN EN EN OUT Piirien lähtöjä ei yleensä saa kytkeä yhteen Joskus on edullista käyttää yhteistä siirtotietä 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 lähettää signaalia väylään Tarvitaan erityinen piirityyppi: kolmitilapiiri (tri-state circuit) eli väylänajuri (bus driver) eli väyläpuskuri (bus buffer) lähtö voidaan ohjata aktivointisignaalilla EN aktiiviseksi tai passiiviseksi passiivisena lähtö ei vaikuta väylän signaaliarvoon Toimintataulukko EN OUT 0 Pass. 1 IN Esimerkki IN1 EN1 EN IN2 EN2 EN IN3 EN3 EN IN4 EN4 EN OUT

Logiikkapiirien piiriparametrit Kuvaavat piirien ominaisuuksia Eri piiriperheillä ja -sarjoilla erilaisia Esitetty piirien datalehdissä ja -kirjoissa Riippuvat lämpötilasta ja ympäristön sähköisistä arvoista Etenemisviive ja muutosaika Tehonkulutus (power dissipation) lepotilassa (staattinen tehonkulutus) muutostaajuuden funktiona (dynaaminen tehonkulutus) Häiriömarginaali (noise margin) häiriöjännite, joka vaaditaan, jotta H  L tai L  H kuvaa piirin häiriöherkkyyttä tpd tr tf PD Noise Margin

Etenemisviiveet ja muutosajat Etenemisviive (propagation delay: tpd, tPLH, tPHL) aika tulosignaalin muutoksesta lähtösignaalin vastaavaan 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 % jännite-erosta voi olla sama tai erilainen eri suuntaisille muutoksille ? 3 A 1 tPHL tPLH tpd tf tr

Yleislogiikkaperheiden ominaisuuksien vertailu Lisä Yleislogiikkaperheiden ominaisuuksien vertailu Perhe/sarja Ominaisuus CMOS TTL HC LVC AUC ALS AS Käyttöjännite 5 V 3,3 V 1,2 V 5 V 5 V L-tason lähtöjännite 0,1 V 0,2 V 0,2 V 0,25 V 0,25 V H-tason lähtöjännite 4,9 V 3,1 V 1,1 V 3,4 V 3 V Virranantokyky 4 mA 24 mA 3 mA 4 mA 20 mA Portin etenemisviive 9 ns 3 ns 2 ns 9 ns 2,5 ns Tehonkulutus/portti 25 µW 10 µW 10 µW 2 mW 16 mW Häiriömarginaali 1,4 V 0,4 V 0,22 V 0,45 V 0,45 V Esitetyt arvot ovat joko tyypillisiä tai valmistajan takaamia arvoja. Tehonkulutus on staattinen arvo (tehonkulutus, kun signaalit eivät muutu).

Lisä Hasardit Hasardi (hazard) on logiikkapiirin viiveistä johtuva virhetoiminta liittyy aina yhden tulosignaalin muutokseen lähtösignaalissa on tietyssä muutostilanteessa lyhyt virhepulssi, "glitch" esiintyy piireissä, joissa tulosignaali etenee useita eri reittejä lähtöön ja eri reiteillä on erilainen viive staattinen hasardi voi esiintyä SOP (1-hasardi) ja POS (0-hasardi) -toteutuksissa voidaan aina poistaa lisäämällä piiriin portti tai portteja dynaaminen hasardi ei esiinny SOP- ja POS-toteutuksissa esiintyy vain usean tason piireissä, joissa signaalin etenemisteitä on vähintään kolme poistaminen edellyttää usein suuria muutoksia piirissä hasardin haitallisuus riippuu sovelluksesta erikseen harkittava pitääkö poistaa vai ei 0-hasardi 1-hasardi

Esimerkki staattisesta hasardista Lisä F A Esimerkki staattisesta hasardista 1 A B 1 1 1 C C = 1 & A C A A C A 1 B 1 Hasardi voi esiintyä siirryttäessä erillisestä 1-alueesta toiseen 1-alueeseen Hasardi Ei hasardia & A B F = A C + A B B = 1 A A tpd A C 2 tpd A B tpd F tpd hasardi ei hasardia

Esimerkin staattisen hasardin poisto Lisä Esimerkin staattisen hasardin poisto F A A B 1 Lisätään tulotermi: 1-alueet eivät enää ole erillisiä 1 1 1 C A C B B C C = 1 & A C A 1 & A B B = 1 1 F & B C Lisätty portti

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 Logic Circuits Data Book 1997

Yleistä logiikkapiirien piirrosmerkeistä Aiemmin monia erilaisia piirrosmerkki- standardeja eri puolilla maailmaa Nykyään yleisessä käytössä kansainvälinen standardi IEC 60617-12 (20.7.1997) SFS-EN 60617-12 (20.4.1999) sisältyy SFS-käsikirjaan 10-2 Piirrosmerkin yleinen muoto suorakulmio sivujen suhde määrittelemätön Tulot vain vasemmalla Lähdöt vain oikealla Yleinen tarkennusmerkki, ääriviiva ja tarkennusmerkit Esimerkki: JA-EI-portti Yleinen tarkennusmerkki Tulot Lähtö & Tarkennusmerkki Ääriviiva

Piirrosmerkeissä käytettäviä merkintöjä 4-bittinen binaarisummain Looginen napaisuus Tason aktiivinen arvo = H Dekooderi Yleinen tarkennusmerkki X/Y 1 2 EN 1 2 3 Tason aktiivinen arvo = L P Looginen komplementointi 3 Signaalin aktiivinen arvo = 1 X/Y 3 1 2 EN 1 2 3 Q Signaalin aktiivinen arvo = 0 3 CI CO Tarkennus- merkkejä Signaalin aktiivinen arvo ääri- viivan sisällä on aina 1

Yleisiä tarkennusmerkkejä Merkki Merkitys & JA-portti tai -toiminta 1 TAI-portti tai -toiminta =1 EHDOTON TAI -portti tai -toiminta X/Y Koodimuunnin, esim BIN/OCT, HPRI/BIN, BCD/DEC MUX Tulovalitsin (multiplekseri) DX, DMUX Lähtövalitsin (demultiplekseri) Σ Summain ALU Aritmeettis-looginen yksikkö SRGn n-bittinen siirtorekisteri CTRn n-bittinen synkroninen binaarilaskuri RCTRn n-bittinen asynkroninen binaarilaskuri CTR DIVn Laskuri, jonka laskentajakson pituus on n ROM mXn Kiintomuisti, m sanaa x n bittiä RAM mXn Vaihtomuisti, m sanaa x n bittiä PLD Ohjelmoitava logiikkaverkko Digitaali- tekniikka (piirit) Lisä

Tuloihin ja lähtöihin liittyviä tarkennusmerkkejä Tarkennusmerkki Käyttötarkoitus ja merkitys Alhaalla (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) Digitaali- tekniikka (piirit) Dynaaminen tulo (reunaliipaistava kiikku) Lisä

Piirrosmerkkien yhdistäminen Lisä Piirrosmerkkien yhdistäminen Ei yhteyttä Yhteisiä signaaleita Yhteiset signaalit voidaan merkitä

Yhteinen ohjauslohko Piireissä, joissa on useita samanlaisia lohkoja ja näillä yhteisiä signaaleita, käytetään yhteistä ohjauslohkoa (common control block) Yhteisiä tulosignaaleita Yhteinen ohjauslohko ? 4 Yhteinen lähtösignaali Saman- laiset lohkot

Lisä Riippuvuusmerkintä Riippuvuusmerkintä (dependence notation) on keskeinen merkintä piirrosmerkkijärjestelmässä Merkintä: kirjain ja numero tai muu merkki vaikuttavassa tulossa sama numero tai merkki vaikutuksen alaisessa tulossa tai lähdössä Esimerkki: JA-riippuvuus X Y X G1 & Y G2 A & A 1 B B 1 & C 2 C

Lisä Riippuvuusmerkinnät Merkintä Riippuvuus Käyttö ja merkitys A Osoite Muistipiirien osoitetuloissa C Ohjaus Sekvenssipiirien kellotuloissa EN Sallinta Signaalin aktiivisuuden sallinta G JA JA-funktio muun signaalin kanssa M Toimitapa Valitsee toimitavan useista erilaisista N Komplementointi Komplementoi signaalin (EHDOTON TAI) R Nollaus Nollaa tilan (sekvenssipiireissä) S Asetus Asettaa tilan (sekvenssipiireissä) V TAI TAI-funktio muun signaalin kanssa X Siirto Siirtoportin kytkennän sallinta Z Kytkentä Piirin sisäisissä kytkennöissä

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