Разветвление - Fan-out

В цифровая электроника, то разветвление - количество входов вентилей, управляемых выходом другого одиночного логического элемента.

В большинстве конструкций логические вентили соединяются для образования более сложных схем. Хотя ни один вход логического элемента не может быть запитан более чем одним выходом одновременно, не вызывая конфликта, обычно один выход подключается к нескольким входам. Технология, используемая для реализации логических вентилей, обычно позволяет соединить определенное количество входов вентилей напрямую вместе без дополнительных схем сопряжения. В максимальное разветвление Выходная мощность измеряет его нагрузочную способность: это наибольшее количество входов вентилей одного типа, к которым выход может быть безопасно подключен.

Логическая практика

Максимальные ограничения на разветвление обычно указываются для данного семейства логических схем или устройства в технических описаниях производителя. Эти ограничения предполагают, что ведомые устройства являются членами одного семейства.

Когда два разных логических семейства взаимосвязаны, требуется более сложный анализ, чем разветвление и разветвление. Разветвление в конечном итоге определяется максимальными токами источника и стока на выходе и максимальными токами источника и стока подключенных входов; приводное устройство должно иметь возможность подавать или потреблять на своем выходе сумму токов, необходимых или обеспечиваемых (в зависимости от того, является ли выход высоким или низким логическим уровнем напряжения) всеми подключенными входами, сохраняя при этом характеристики выходного напряжения. Для каждого логического семейства, как правило, производитель определяет «стандартный» вход с максимальными входными токами на каждом логическом уровне, а разветвление для выхода вычисляется как количество этих стандартных входов, которые могут быть задействованы в худшем случае. . (Следовательно, возможно, что выход может фактически управлять большим количеством входов, чем указано в разветвлении, даже для устройств в одном семействе, если конкретные управляемые устройства потребляют и / или исчерпывают меньший ток, как указано в их таблицах данных, чем "стандартное" устройство этого семейства.) В конечном счете, имеет ли устройство возможность разветвления для управления (с гарантированной надежностью) набор входов, определяется путем сложения всех указанных входных токов источника (макс.) в таблицах данных ведомых устройств, суммируя все входные (максимальные) токи потребления тех же устройств, и сравнивая эти суммы с гарантированным максимальным выходным током потребителя и высоким выходным током источника, соответственно . Если оба итога находятся в пределах пределов приводного устройства, то у него есть возможность разветвления по постоянному току для управления этими входами на этих устройствах как группой, а в противном случае - нет, независимо от указанного производителем числа разветвления. Однако для любого уважаемого производителя, если этот текущий анализ показывает, что устройство не может управлять входами, число разветвления согласуется.

Когда требуется высокоскоростное переключение сигналов, полное сопротивление переменного тока выхода, входов и проводников между ними может значительно снизить эффективную мощность привода на выходе, и этого анализа постоянного тока может быть недостаточно. Видеть Вентилятор переменного тока ниже.

Теория

Разветвление постоянного тока

Идеальный логический вентиль имел бы бесконечное входное сопротивление и ноль выходное сопротивление, позволяя выходу затвора управлять любым количеством входов затвора. Однако, поскольку реальные производственные технологии демонстрируют далеко не идеальные характеристики, будет достигнут предел, при котором выход затвора больше не сможет управлять Текущий в последующие входы ворот - попытка сделать это вызывает Напряжение упасть ниже уровня, определенного для логического уровня на этом проводе, что приведет к ошибкам.

Разветвление - это просто количество входов, которые могут быть подключены к выходу до того, как ток, требуемый входами, превысит ток, который может быть выдан выходом, при сохранении правильных логических уровней. Текущие значения могут быть разными для состояний логического нуля и логической единицы, и в этом случае мы должны взять пару, которая дает меньшее разветвление. Математически это можно выразить как

{ displaystyle { text {DC Fan-out}} = operatorname {min} left ( left lfloor { frac {I _ { text {out high}}} {I _ { text {in high}}) }} right rfloor, left lfloor { frac {I _ { text {out low}}} {I _ { text {in low}}}} right rfloor right)}

( ${ Displaystyle lfloor ; rfloor}$ это функция пола ).

Только по этим цифрам TTL количество логических элементов ограничено от 2 до 10, в зависимости от типа ворот, в то время как CMOS затворы имеют разветвления постоянного тока, которые обычно намного выше, чем это может произойти в практических схемах (например, при использовании Спецификации NXP Semiconductor для своих КМОП-чипов серии HEF4000 при 25 ° C и 15 В дает разветвление 34 000).

Разветвление переменного тока

Однако входы реальных вентилей имеют как емкость, так и сопротивление рельсы питания. Эта емкость замедлит выходной переход предыдущего затвора и, следовательно, увеличит его Задержка распространения. В результате, вместо фиксированного разветвления, разработчик сталкивается с компромиссом между разветвлением и задержкой распространения (что влияет на максимальную скорость всей системы). Этот эффект менее заметен для систем TTL, что является одной из причин, по которой TTL сохранял преимущество в скорости по сравнению с CMOS в течение многих лет.

Часто один сигнал (в качестве крайнего примера, тактовый сигнал) должен управлять более чем 10 объектами на кристалле. Вместо того, чтобы просто соединять выход логического элемента с 1000 различными входами, разработчики схем обнаружили, что дерево работает намного быстрее (в качестве крайнего примера, дерево часов ) - например, если на выходе этого затвора управляют 10 буферами (или, что эквивалентно, буфер масштабируется в 10 раз больше, чем буфер минимального размера), эти буферы управляют 100 другими буферами (или, что эквивалентно, буфер масштабируется в 100 раз больше, чем буфер буфер минимального размера), и эти конечные буферы для управления 1000 желаемых входов. В течение физический дизайн, некоторые инструменты проектирования СБИС выполняют вставку буфера как часть целостность сигнала закрытие дизайна.

Аналогичным образом, вместо того, чтобы просто подключить все 64 выходных бита к одному вентилю ИЛИ-НЕ с 64 входами для генерации Z флаг На 64-битном ALU разработчики схем обнаружили, что дерево работает намного быстрее - например, если флаг Z генерируется вентилем ИЛИ-ИЛИ с 8 входами, а каждый из их входов генерируется вентилем ИЛИ с 8 входами .

Напоминает радикс экономия, одна оценка общей задержки такого дерева - общее количество этапов по задержке каждого этапа - дает оптимальную (минимальную задержку), когда каждый этап дерева масштабируется на е, примерно 2,7. Люди, которые разрабатывают цифровые интегральные схемы, обычно вставляют деревья всякий раз, когда это необходимо, так что разветвление и разветвление каждого затвора на кристалле составляет от 2 до 10.^[1]

Поэтому во многих практических случаях основным ограничивающим фактором является динамическое или переменное разветвление, а не разветвление по постоянному току из-за ограничения скорости. Например, предположим, что микроконтроллер имеет 3 устройства на линиях адреса и данных, и микроконтроллер может управлять емкостью шины 35 пФ при максимальной тактовой частоте. Если каждое устройство имеет входную емкость 8 пФ, то допустимая емкость трассы составляет только 11 пФ. (Трассы трассировки на печатных платах обычно имеют 1-2 пФ на дюйм, поэтому трассы в этом случае могут иметь максимальную длину 5,5 дюймов.) Если это условие длины трассы не может быть выполнено, микроконтроллер должен работать на более медленной шине. скорость для надежной работы, или в схему должен быть вставлен буферный чип с более мощным приводом. Привод более высокого тока увеличивает скорость, поскольку ${ displaystyle textstyle I = C { frac {dV} {dt}}}$ ; Проще говоря, ток - это скорость протекания заряда, поэтому повышенный ток заряжает емкость быстрее, а напряжение на конденсаторе равно заряду на нем, деленному на емкость. Таким образом, при большем токе напряжение изменяется быстрее, что позволяет быстрее передавать сигналы по шине.

К сожалению, из-за более высоких скоростей современных устройств, IBIS для точного определения динамического разветвления может потребоваться моделирование, поскольку динамическое разветвление четко не определено в большинстве таблиц. (См. Дополнительную информацию по внешней ссылке.)

Смотрите также

FO4 - разветвление из 4
Фан-ин - количество входов логического элемента
Реконвергентное разветвление
Упаковка на уровне полупроводниковых пластин
Вес Хэмминга

внешняя ссылка

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЙ ЦИФРОВОЙ ДИЗАЙН - информационный бюллетень онлайн - Vol. 8 Выпуск 07

[1] Майлз Мурдокка, Апостолос Герасулис и Саул Леви.«Новая оптическая компьютерная архитектура, использующая реконфигурируемые межсоединения». 1991. стр. 60-61.

[1]