1 / 58

Digital System Engineering

บทที่ 1. บทนำ จากศูนย์ถึงหนึ่ง. Digital System Engineering. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน. การออกแบบวงจรหรือระบบขนาดใหญ่ๆ มนุษย์ไม่มีความสามารถหรือมีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากพอที่จะมาใช้คำนวณหรือพิจารณารายละเอียดได้ทุกอย่างได้

kaycee
Télécharger la présentation

Digital System Engineering

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. บทที่ 1. บทนำ จากศูนย์ถึงหนึ่ง Digital System Engineering

  2. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน • การออกแบบวงจรหรือระบบขนาดใหญ่ๆ มนุษย์ไม่มีความสามารถหรือมีเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากพอที่จะมาใช้คำนวณหรือพิจารณารายละเอียดได้ทุกอย่างได้ • ตัวอย่างเช่น จำนวนทรานซิสเตอร์ใน CPU Core i7 ของบริษัท Intel มีทั้งหมด 731 ล้านตัวในการออกแบบ CPU วิศวกรไม่สามารถที่จะคำนวณหาขนาดของกระแส หรือผลตอบสนองความถี่ของวงจรทรานซิสเตอร์ทุกตัวใน Core i7 พร้อมกันได้ เนื่องจากมีความยุ่งยากและซับซ้อนมากเกินไป • ดังนั้นในการออกแบบวงจรหรือระบบขนาดใหญ่ เราจำเป็นจะต้องพัฒนาวิธีหรือเทคนิคที่ใช้ลดความซับซ้อนให้น้อยลง โดยที่ยังคงความสามารถในการออกแบบระบบขนาดใหญ่ให้ทำงานได้อย่างถูกต้องและเชื่อถือได้

  3. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน • เทคนิคที่นิยมใช้กัน คือการแบ่งระดับการคำนวณหรือการวิเคราะห์ออกเป็นลำดับชั้น โดยที่ชั้นที่อยู่ด้านล่างจะเป็นชั้นของการคำนวณหรือวิเคราะห์ในรายละเอียด ส่วนชั้นที่อยู่ด้านบนก็จะเป็นการนำเอาผลลัพธ์ของการคำนวณหรือการวิเคราะห์ไปใช้งาน • การแบ่งการวิเคราะห์หรือการคำนวณเป็นลำดับชั้นลักษณะนี้มีข้อดีคือเป็นการซ่อนรายละเอียดที่ยุ่งยากซับซ้อนไว้ในชั้นระดับล่าง ทำให้การออกแบบวงจรหรือระบบในระดับที่สูงขึ้นมีความซับซ้อนน้อยลง • การซ่อนรายละเอียดที่ยุ่งยากซับซ้อนไว้ในชั้นระดับล่างนี้เราเรียกว่า ระดับชั้นนามธรรม (Abstraction)

  4. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน • ระดับชั้นนามธรรมในการออกแบบระบบ Digital สามารถแบ่งออกเป็นทั้งหมด 9 ระดับชั้น • โดยเริ่มจากชั้นล่างสุดคือชั้นฟิสิกส์ซึ่งเป็นการวิเคราะห์พฤติกรรมต่างๆของโฮลและอิเล็กตรอน ในสารกึ่งตัวนำ ไปจนถึงชั้นบนสุดคือการเขียนโปรแกรมประยุกต์ในคอมพิวเตอร์ • การแบ่งเป็นระดับชั้นนามธรรมทำให้โปรแกรมเมอร์สามารถที่จะเขียนโปรแกรมประยุกต์ได้โดยที่ไม่จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีสารกึ่งตัวนำแม้แต่น้อย

  5. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน • ในทางกลับกันวิศวกรหรือนักฟิสิกส์ก็สามารถที่จะออกแบบทรานซิสเตอร์หรือ MOSFET ตัวใหม่ที่ทำงานได้เร็วมากขึ้น หรือใช้พลังงานน้อยลง โดยไม่ต้องไปสนใจว่าจะทรานซิสเตอร์หรือ MOSFET ที่ออกแบบจะถูกนำไปใช้กับคอมพิวเตอร์ที่ใช้ระบบปฏิบัติการ Windows หรือ Mac OS X

  6. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนPhysics Abstraction • ในระดับฟิสิกส์เราสามารถอธิบายพฤติกรรมต่างๆของโฮลและอิเล็กตรอนโดยใช้ทฤษฎีของ Quantum และสมการของ Maxwell

  7. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนDevice Abstraction • เราสามารถอธิบายการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆเช่น Diode หรือ Transistor จากความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสที่ขาต่างๆของอุปกรณ์

  8. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนAnalog Circuit Abstraction • เราสามารถนำเอาอุปกรณ์ต่างๆมาเชื่อมต่อเข้าด้วยกันให้กลายเป็นวงจร • การทำงานของวงจรอนาลอกสามารถดูได้จากความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณ Input และ Output เช่นค่าอัตราขยายแรงดัน

  9. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนDigital Circuit Abstraction • เราสามารถนำวงจรอนาลอกมาสร้างเป็นโลจิกเกตต่างๆเช่น NOT, AND, และ OR gate • การทำงานของโลจิกเกตต่างๆสามารถดูได้จากตาราง Truth Table

  10. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อน ความแตกต่างระหว่างสัญญาณ Analog และ Digital สัญญาณ Analog เป็นสัญญาณที่มีความต่อเนื่อง (Continuous) ทั้งในแกนเวลาและแอมปลิจูด สัญญาณ Digital เป็นสัญญาณที่มีความไม่ต่อเนื่อง (Discrete) ทั้งในแกนเวลาและแอมปลิจูด

  11. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนLogic Abstraction • ในระดับโลจิก เป็นการนำเอาโลจิกเกตต่างๆมาต่อรวมกันให้กลายเป็นวงจรโลจิกแบบง่ายๆเช่นวงจร Adder, ALU, หรือ Memory • เราสามารถศึกษาการทำงานของวงจรโลจิกได้จาก Timing Diagram หรือ Truth Table

  12. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนMicroarchitecture Abstraction • ในระดับ Microarchitectureเป็นการนำเอาวงจรโลจิกมาต่อรวมกันเพื่อให้สามารถทำงานตามคำสั่ง Assembly ได้ • วงจรโลจิกพื้นฐานที่อยู่ใน Microarchitectureมีดังนี้ • Register ทำหน้าที่เก็บข้อมูลชั่วคราว Register สำคัญที่จำเป็นต้องมีคือ • Accumulator ทำหน้าที่เก็บข้อมูลชั่วคราวในระหว่างการประมวลผล

  13. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนMicroarchitecture Abstraction • Program Counter เป็น Register ที่ชี้ตำแหน่งของหน่วยความจำที่ใช้เก็บคำสั่งถัดไป • Arithmetic Logic Unit ทำหน้าที่คำนวณแบบง่ายๆเช่นการบวก, ลบ. OR หรือ AND • นอกจากวงจรโลจิกต่างๆแล้ว ยังจำเป็นต้องมี Data Path หรือ Bus เพื่อทำหน้าที่เป็นเส้นทางการส่งข้อมูล

  14. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนArchitecture Abstraction • ระดับ Architecture เป็นการอธิบายระบบคอมพิวเตอร์ในมุมมองของ Programmer • ตัวอย่างเช่นสถาปัตยกรรม IA-32 ของบริษัท Intel มีดังต่อไปนี้ • สามารถทำงานได้ทั้งหมด 4 โหมดคือ • Protected Mode • Virtual-8086 Mode • Real Address Mode • System Management Mode

  15. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนArchitecture Abstraction • สามารถอ้างหน่วยความจำได้ถึง 4 GB • Register • General-Purpose Registers • Specialized Uses • Segment Registers • Instruction Pointer • EFLAGS Register

  16. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนArchitecture Abstraction • Control Flag • Status Flag • Floating Point Unit (FPU) เป็นData Register พิเศษที่ทำให้สามารถคำนวณแบบ Floating Point ที่รวดเร็ว

  17. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนArchitecture Abstraction • Register อื่นๆ เช่น • 64 bits Registers ที่ใช้งานกับคำสั่งกลุ่ม MMX • 128 bits XMM Registers เพื่อใช้กับคำสั่งชนิด Single-Instruction, Multiple-Data (SIMD)

  18. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนArchitecture vsMicroarchitecture • จากข้อกำหนดต่างๆในระดับชั้น Architecture วิศวกรสามารถนำไปออกแบบ Microarchitectureได้อย่างหลากหลาย • ตัวอย่างเช่นวิศวกรของบริษัท Intel สามารถออกแบบ Micro-architecture จากสถาปัตยกรรม IA-32 กลายเป็น CPU ตระกูล Pentium ต่างๆ

  19. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนOperating System และ Application Abstraction • สำหรับระบบคอมพิวเตอร์ นอกจากวงจรดิจิตอลหรือ Hardware แล้ว สิ่งที่ขาดไม่ได้คือ Software ที่ใช้ควบคุมการทำงาน • ในมุมมองของ Software ระดับชั้นที่อยู่ด้านล่างสุดคือโปรแกรมปฏิบัติการ (OS) • หน้าที่ของ OS คือบริหาร, จัดการ และควบคุมการติดต่อกับ Hardware ทำให้โปรแกรมเมอร์ที่เขียนโปรแกรมประยุกต์ สามารถที่จะเขียนหรืออ่านข้อมูลจากฮาร์ดดิส หรือพิมพ์ภาพออกไปที่พรินเตอร์ ได้โดยไม่จำเป็นต้องเข้าใจการทำงานของฮาร์ดดิสหรือพรินเตอร์เลยแม้แต่น้อย

  20. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนDiscipline • Discipline หมายถึงข้อบังคับของการออกแบบระดับนามธรรมในชั้นล่างเพื่อให้ระดับนามธรรมในชั้นบนสามารถทำงานหรือมีผลผลิตที่ดียิ่งขึ้น เช่น • Digital Discipline (ข้อบังคับดิจิตอล) • วงจรดิจิตอลทำงานกับสัญญาณแบบไม่ต่อเนื่องทำให้สามารถออกแบบได้ง่ายกว่าวงจรอนาลอก • ดังนั้นการนำเอาวงจรดิจิตอลมาเชื่อมต่อกันให้กลายเป็นระบบใหญ่ที่มีความซับซ้อนสูงทำได้ง่ายกว่า

  21. บทที่ 1.2 ศิลปะของการบริหารความซับซ้อนThree – Y’s • การออกแบบระบบที่มีความซับซ้อนมากๆ นอกจากจะต้องใช้หลักการของการแบ่งระดับนามธรรม และข้อบังคับแล้วยังต้องใช้หลักการอีก 3 อย่างคือ • Hierarchy คือการแบ่งระบบออกเป็นโมดูลต่างๆ จากนั้นจึงแบ่งแต่ละโมดูลให้เป็นโมดูลย่อยต่อไปอีก เพื่อให้ได้โมดูลย่อยที่มีความเรียบง่ายมากยิ่งขึ้น • Modularity แต่ละโมดูลจะต้องถูกออกแบบอย่างดีที่สุดเพื่อให้สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องเพื่อลดปัญหาของการนำไปใช้งาน และออกแบบวิธีการเชื่อมต่อกับโมดูลอื่นๆเพื่อให้สามารถนำเอาโมดูลทั้งหมดมาเชื่อมต่อกันเป็นระบบใหญ่ • Regularity ในระบบใหญ่ๆมักจะประกอบด้วยโมดูลจำนวนมากที่มีการทำงานคล้ายๆกัน และโมดูลเหล่านี้มักถูกนำไปใช้งานหลายครั้ง ดังนั้นเพื่อเป็นการลดเวลาในการออกแบบระบบขนาดใหญ่ จึงควรออกแบบและใช้งานโมดูลร่วม (Common Module) ที่สามารถนำไปใช้งานได้หลายครั้ง

  22. บทที่ 1.3 นามธรรมเชิงดิจิตอล • ตัวแปรทางฟิสิกส์ส่วนใหญ่เช่นความดัน, ความร้อน มักมีค่าที่ต่อเนื่อง • ในทางตรงกันข้ามระบบ Digital เป็นระบบที่แสดงข่าวสารโดยใช้ตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่อง (Discrete Valued Variable) • ตัวแปรชนิดค่าไม่ต่อเนื่องสามารถแสดงค่าหรือข้อมูลได้ในจำนวนจำกัดเช่น • ตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องขนาด 1 bit สามารถแสดงค่าหรือข้อมูลได้เพียง 2 ค่าเท่านั้นคือ 0 หรือ 1, ถูก หรือ ผิด, ซ้าย หรือ ขวา

  23. บทที่ 1.3 นามธรรมเชิงดิจิตอล • ถ้าต้องการแสดงสีรุ้งที่มี 7 สีจะต้องใช้ตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องขนาดอย่างน้อย 3 bit • ถ้าต้องการแสดงตัวเลข 0 ถึง 9 จะต้องใช้ตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องขนาดอย่างน้อย 4 bit คือ 0000 = 0, 0001 = 1, 0010 = 2, 0011 = 3, 0100 = 4, 0101 = 5, 0110 = 6, 0111 = 7, 1000 = 8, 1001 = 9

  24. บทที่ 1.3 นามธรรมเชิงดิจิตอล • จากตัวอย่างจะเห็นว่าถ้าต้องการแสดงค่า N ค่า จะต้องใช้ตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องที่มีจำนวนบิทมากกว่าหรือเท่ากับที่จำเป็นต้องใช้เสมอ ตัวอย่างเช่นการแสดงตัวเลข 0-9 จำนวน 10 ค่า แต่ต้องใช้ตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องขนาด 4 บิทซึ่งสามารถแสดงค่าได้ทั้งหมด 16 ค่า • จำนวนบิทที่แท้จริงที่ใช้สำหรับแสดงค่า N ค่าเราจะเรียกว่าปริมาณข่าวสาร (information) สามารถคำนวณได้จาก

  25. บทที่ 1.3 นามธรรมเชิงดิจิตอล • ตัวอย่างด้านบนแสดงข้อดีของการใช้นามธรรมดิจิตอลนั่นคือตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องสามารถนำไปใช้แสดงค่าทางฟิสิกส์ต่างๆเช่นความร้อนหรือสี หรือข่าวสารต่างๆเช่นตัวเลข 0-9 • และเนื่องจากตัวแปรค่าไม่ต่อเนื่องสามารถแสดงในรูปของเลขฐาน 2 หรือโลจิก 0 และ 1 จำนวนหลายๆบิทเรียงต่อกัน • จากเหตุผลทั้ง 2 ข้อ เราจึงสามารถออกแบบระบบคอมพิวเตอร์เพื่อใช้คำนวณตัวเลข, เก็บข้อมูลอุณหภูมิของผู้ป่วยในโรงพยาบาล หรือสีของรถที่ผลิตจากโรงงาน

  26. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขระบบเลขฐาน 10 • เลขฐาน 10 แต่ละหลักมีค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 9 • เลขฐาน 10 N หลัก สามารถแสดงค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 10N-1

  27. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขระบบเลขฐาน 2 • เลขฐาน 2 เป็นระบบที่แต่ละหลักมีค่า 0 หรือ 1 • เลขฐาน 2 N หลักสามารถแสดงค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 2N-1

  28. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขระบบเลขฐาน 2

  29. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขระบบเลขฐาน 16 • เลขฐาน 16 แต่ละหลักใช้แสดงเลขฐาน 2 จำนวน 4 bit ดังนั้นเลขฐาน 16 แต่ละหลักจะสามารถแสดงค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 15

  30. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขBytes, Nibbles, และอื่นๆ • ตัวเลขในระบบดิจิตอลมักประกอบด้วยเลขฐาน 2 จำนวนหลายบิท เช่น ตัวเลขขนาด 8 bit, 16 bit หรือ 32 bit • ชื่อที่ใช้เรียกเลขฐาน 2 ขนาดต่างๆมีดังนี้ • 4 bit – Nibble • 8 bit – Byte • word หมายถึงขนาดของเลขฐาน 2 ที่ Microprocessor ถูกออกแบบมาให้ประมวลผลในแต่ละคำสั่ง ตัวอย่างเช่น MCS51 ถูกออกแบบมาให้แต่ละคำสั่งสามารถประมวลผลเลขฐาน 2 ขนาด 8 bit ส่วน Pentium ถูกอออกแบบมาให้ประมวลผลเลขฐาน 2 ขนาด 32 bit

  31. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขBytes, Nibbles, และอื่นๆ • ในระบบตัวเลขทุกระบบ หลักที่อยู่ด้านขวามือสุดจะเป็นหลักที่มีความสำคัญน้อยที่สุด (Least Significant) เนื่องจากถ้าการบันทึกหรือประมวลผลค่าในหลักนี้เกิดการผิดพลาด จะส่งผลให้ค่าทั้งหมดเกิดการผิดพลาดไม่มาก เช่น ค่า 103910บันทึกเป็น 103710ค่าความผิดพลาดคือ 210 • ส่วนหลักที่อยู่ด้านซ้ายมือสุดจะเป็นหลักที่มีความสำคัญมากที่สุดเนื่องจากถ้ามีการผิดพลาดที่หลักนี้จะทำให้เกิดความผิดพลาดมากที่สุดเช่น ค่า 103910บันทึกเป็น 303910ค่าความผิดพลาดคือ 200010

  32. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขการบวกเลขฐาน 2 • การบวกเลขฐาน 2 คล้ายกับการบวกเลขฐาน 10 แต่ง่ายกว่าเนื่องจากแต่ละหลักมีค่าได้เพียง 0 หรือ 1 เท่านั้น • เนื่องจากระบบดิจิตอลทุกระบบถูกออกแบบมาให้สามารถประมวลผลเลขฐาน 2 ที่ขนาดตายตัว ยกตัวอย่างเช่น MCS51 ถูกออกแบบมาให้ประมวผลเลขฐาน 2 ขนาด 8 bit แต่ในบางครั้งการบวกเลขฐาน 2 อาจจะทำให้ได้ค่าผลลัพธ์ที่มีจำนวนบิทมากกว่าที่ระบบดิจิตอลสามารถรับได้ เราจะเรียกว่าการเกิด Over Flow เราสามารถตรวจสอบการเกิด Over Flow ได้โดยการตรวจสอบตัวทดที่ออกมาจาก MSB

  33. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขเลขฐาน 2 แบบคิดเครื่องหมาย • เลขฐาน 2 แบบคิดเครื่องหมาย หมายถึงเลขฐาน 2 ที่สามารถใช้แสดงเลขจำนวนเต็มบวก และเลขจำนวนเต็มลบ • เลขฐาน 2 แบบคิดเครื่องหมายที่นิยมใช้กันมีอยู่ 2 แบบคือ • Sign/Magnitude Number เป็นระบบที่ใช้ MSB เป็นเครื่องหมาย และใช้ N-1 bit ที่เหลือเป็นค่าปกติ ตัวอย่างเช่น และ • ข้อเสียของระบบนี้คือมี 0 อยู่ 2 ค่าคือ 00002=+010และ 10002=-010และไม่สามารถนำมาใช้ในการบวกลบเลขฐาน 2 แบบปกติได้เช่น

  34. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขเลขฐาน 2 แบบคิดเครื่องหมาย • 2’s Complement Number เป็นมีการคิดค่าคล้ายกับระบบเลขฐาน 2 แบบไม่คิดเครื่องหมาย เพียงแต่ค่าของ MSB จะต้องคูณด้วย -2N-1 • ตัวอย่างเช่น • การแปลง 2’s complement มี 2 ขั้นตอนคือ การกลับบิท และการบวก 1 • การบวกเลข 2’s complement สามารถบวกได้แบบปกติคือ

  35. บทที่ 1.4 ระบบตัวเลขเลขฐาน 2 แบบคิดเครื่องหมาย • ในกรณีของการบวกเลข 2’s complement ตัวทดจาก MSB ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการเกิด Over Flow • ระบบเลข 2’s Complement ขนาด N bit สามารถแสดงค่าได้ระหว่าง -2N-1ถึง 2N-1-1 • ระบบเลข 2’s complement สามารถเกิด Over Flow ได้เช่นกันเช่น • เราสามารถตรวจสอบการเกิด Over Flow ของ 2’s Complement ได้โดยการ XOR กับตัวทดของบิทMSB กับบิทMSB-1 1 XOR 0 = 1 เกิด Over Flow

  36. บทที่ 1.5 โลจิกเกต • คุณสมบัติทางอนาลอกของ Buffer คือทำหน้าที่เป็นตัวขับกระแสให้กับภาค Output ไปยังมอเตอร์หรือ รีเลย์ เป็นต้น หรือทำหน้าที่เป็นตัวจ่ายโลจิกให้กับ Input ของโลจิกเกตหลายๆตัว จุดประสงค์เพื่อให้ค่าโลจิกสามารถเปลี่ยนได้รวดเร็วขึ้น

  37. บทที่ 1.5 โลจิกเกต

  38. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลSupply Voltage • ทิศทางการพัฒนาระบบดิจิตอลจะพยายามลดแรงดันไฟเลี้ยง VDDให้น้อยลงเรื่อยๆ เพื่อลดอัตราการใช้พลังงาน ตัวอย่างเช่นถ้าลดแรงดันไฟเลี้ยงจาก 5V ลงเหลือ 3.3V จะทำให้อัตราการใช้พลังงานลดลง 60% (อัตราการใช้พลังงานแปรผันตรงกับกำลัง 2 ของไฟเลี้ยง)

  39. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลLogic Level • ระดับแรงดันของโลจิก 0 และ 1 จะขึ้นกับแรงดันไฟเลี้ยง โดยมีรายละเอียดดังต่อไปนี้ • VOL หมายถึงระดับแรงดันไฟสูงสุดทางด้าน Output สำหรับโลจิก 0 • VOH หมายถงระดับแรงดันไฟต่ำสุดทางด้าน Output สำหรับโลจิก 1 • VIL หมายถึงระดับแรงดันไฟสูงสุดทางด้าน Input สำหรับโลจิก 0 • VIH หมายถึงระดับแรงดันไฟต่ำสุดทางด้าน Input สำหรับโลจิก 1 • Forbidden Zone หมายถึงช่วงของแรงดันที่บอกไม่ได้ว่าเป็นโลจิก 0 หรือ 1 เป็นช่วงต้องห้ามของระบบดิจิตอล

  40. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลNoise Margin • วงจรดิจิตอลจะมีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้สูงกว่าวงจรอนาลอก ตัวอย่างเช่น ถ้าสัญญาณโลจิก 0 ที่ป้อนให้กับโลจิกเกตถูกรบกวนทำให้ระดับแรงดันเกิดการเปลี่ยนแปลง แต่ถ้าการเปลี่ยนแปลงของแรงดันมีค่าไม่เกินค่า VIL สัญญาณโลจิกยังคงถูกมองว่าเป็นโลจิก 0 • ดังนั้นสัญญาณรบกวนที่สามารถรบกวนวงจรดิจิตอลได้จะต้องมีขนาดใหญ่มาก • ขนาดสัญญาณรบกวนที่สามารถรบกวนวงจรดิจิตอลได้ในกรณีที่แย่ที่สุด เราเรียกว่า Noise Margin • NML=VIL-VOL • NMH=VOH-VIH

  41. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลDC Transfer Characteristics • DC Transfer Characteristics หมายถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันทางด้าน Input (V(A)) และ Output (V(Y)) • ตัวอย่างเช่นแรงดัน Output ของ NOT gate ในอุดมคติจะมีการเปลี่ยนแปลงค่าเมื่อแรงดัน Input มีค่าเท่ากับ VDD/2 • โดยที่ V(Y) = 0 ถ้า V(A) มีค่ามากกว่า VDD/2 • และ V(Y) = VDDถ้า V(A) มีค่าน้อยกว่า VDD/2

  42. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลDC Transfer Characteristics • แต่ในทางปฏิบัติแรงดันด้าน Output มีการเปลี่ยนแปลงแบบไม่ทันทีทันใด • ถ้า V(A)=0 จะทำให้ V(Y) = VDD • และเมื่อ V(A) มีค่าเพิ่มขึ้นจะทำให้ V(Y) มีค่าค่อยๆลดลง • V(Y) จะลดลงเหลือ 0 เมื่อ V(A) เท่ากับ VDD • นอกจากนี้จุดศูนย์กลางของการเปลี่ยนแปลงอาจจะไม่ได้อยู่ที่ V(A) = VDD/2ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะกำหนดแรงดันของโลจิก

  43. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลDC Transfer Characteristics • จุดที่ดีที่สุดในการกำหนดค่าโลจิกคือจุดที่ความชันของ DC Transfer Characteristics dV(Y)/dV(A) มีค่าเท่ากับ -1 • เราเรียก 2 จุดนี้ว่าจุด Unity Gain การเลือก 2 จุดนี้จะทำให้ได้ค่า Noise Margin สูงสุด • โดยที่จุดแรกเป็นจุดที่ใช้กำหนดค่า VILและ VOH • ส่วนจุดที่ 2 คือจุดที่ใช้กำหนดค่า VIHและ VOL

  44. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลStatic Discipline • Static Discipline หมายถึงกฎเกณฑ์ที่ป้องกันไม่ให้สัญญาณ Input ตกอยู่ใน Forbidden Zone • หรือหมายความว่าถ้าเราป้อนสัญญาณ Input ที่ถูกต้องแล้ว (สัญญาณ Input ไม่อยู่ใน Forbidden Zone) อุปกรณ์ทุกตัวในวงจรจะต้องให้สัญญาณ Output ที่ถูกต้องด้วยเช่นกัน (สัญญาณ Output ต้องไม่อยู่ใน Forbidden Zone) • ข้อดีของกฎเกณฑ์นี้คือทำให้การออกแบบระบบดิจิตอลทำได้ง่ายและมีความทนทานสูง

  45. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลStatic Discipline • เพื่อป้องกันความผิดพลาด โลจิกเกตจะถูกแบ่งออกเป็น Logic Family ต่างๆ โดยที่โลจิกเกตที่อยู่ใน Logic Family เดียวกันจะถูกออกแบบมาให้เป็นไปตามกฎเกณฑ์ของ Static Discipline • ในการออกแบบระบบดิจิตอลเราควรจะเลือกใช้โลจิกเกตที่อยู่ใน Logic Family เดียวกัน

  46. บทที่ 1.6 ภายใต้นามธรรมเชิงดิจิตอลStatic Discipline • ในกรณีที่จำเป็นจะต้องเลือกใช้โลจิกเกตที่อยู่ต่าง Logic Family กันจำเป็นจะต้องทำการตรวจสอบว่า โลจิกเกตที่อยู่ต่าง Family กันนั้นมีความเข้ากันได้ (Compatibility) หรือไม่

  47. บทที่ 1.7 CMOS Transistor • ระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่มี Transistor เป็นอุปกรณ์พื้นฐาน • Transistor ทำหน้าที่เป็นสวิทช์อิเล็กทรอนิกส์ในการ เปิดหรือปิด แรงดันหรือกระแส ของวงจรภายใน • Transistor ที่นิยมใช้ในปัจจุบันมีอยู่ 2 ชนิดคือ Bipolar Transistor และ Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)

  48. บทที่ 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors • MOSFET เปรียบเสมือนกับสวิทซ์ที่ถูกควบคุมโดยแรงดันของขา Gate • แรงดันของขา Gate จะสร้างสนามไฟฟ้าเพื่อไป เปิด/ปิด การเชื่อมต่อระหว่างขา Source และ Drain

  49. บทที่ 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors พิจารณาการทำงานของ n-MOS • โดยปกติชั้น Substrate ของ n-MOS จะต่ออยู่กับกราวด์ • จากนั้นจึงต่อขา Gate กับกราวด์เช่นกัน • เนื่องจากแรงดันของขา Source และ Drain มีค่าเป็นบวก ดังนั้นจึงทำให้ Diode ที่อยู่ระหว่าง Source กับ Substrate หรือ Drain กับ Substrate เป็น Reverse Bias ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไหลผ่าน Source และ Drain จึงเปรียบเสมือนกับเป็นการปิดสวิทซ์

  50. บทที่ 1.7 CMOS Transistorn-MOS และ p-MOS Transistors จากนั้นจึงพิจารณาในกรณีที่ขา Gate ต่อกับ VDD • เมื่อแรงดันขา Gate เป็นบวกเทียบกับชั้น Substrate จะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้น โดยที่ประจุบวกจะอยู่ที่ชั้นของ Gate และประจุลบจะอยู่ที่ชั้นของ Substrate • ถ้าแรงดันที่ป้อนให้กับ Gate มีค่ามากพอจะทำให้เกิดประจุลบจำนวนมากอยู่ใต้ชั้นของ Gate ทำให้บริเวณของ Substrate ที่อยู่ใต้ Gate เกิดเป็น n-type เราจะเรียกบริเวณดังกล่าวว่า Channel

More Related