Разветвление - Fan-out
В цифровой электронике , то вентилятор-аут является количество входов ворот , приводимых в действие выходом другого одного логического элемента.
В большинстве схем 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. Максимального вентилятора из - за выхода измеряет его нагрузки вождения возможности: это наибольшее количество входов ворот одного и того же типа , к которому 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 технических паспортах, чем "стандартное" устройство этого семейства.) В конечном итоге, наличие у устройства возможности разветвления для управления (с гарантированной надежностью) набора входов определяется путем сложения всех указанных входных токов с низким уровнем (макс.) в таблицах данных управляемых 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 это не так, независимо от указанного производителем числа разветвления. Однако для любого уважаемого производителя, если 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. См. Раздел «Разветвление переменного тока» ниже.
Теория
Разветвление постоянного тока
Идеальный логический вентиль имел бы бесконечный входной импеданс и нулевой выходной импеданс , что позволяло бы выходу затвора управлять любым количеством входов затвора. Однако, поскольку реальные производственные технологии демонстрируют далеко не идеальные характеристики, будет достигнут предел, при котором выход затвора не сможет больше пропускать ток на последующие входы затвора - попытка сделать это приведет к падению напряжения ниже уровня, определенного для логического уровня. на этом проводе, вызывая ошибки.
Разветвление - это 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
( это функция пола ).
Исходя только из этих цифр, логических вентилей TTL может быть от 2 до 10, в зависимости от типа вентилей, в то время как вентили CMOS имеют разветвления по постоянному току, которые обычно намного выше, чем это может происходить в практических схемах (например, с использованием спецификаций 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 шины питания . Эта емкость замедлит выходной переход предыдущего затвора и, следовательно, увеличит задержку его 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 микросхеме. Вместо того, чтобы просто подключать выход логического элемента к 1000 различным входам, разработчики схем обнаружили, что гораздо быстрее работает дерево (как крайний пример, дерево часов ) - например, выход этого логического элемента управляет 10 буферами. (или, что то же самое, буфер, масштабированный в 10 раз больше, чем буфер минимального размера), эти буферы управляют 100 другими буферами (или, что эквивалентно, буфером, масштабируемым в 100 раз большим, чем буфер минимального размера), и эти конечные буферы для управления 1000 желаемые входы. Во время физического проектирования некоторые инструменты проектирования СБИС выполняют вставку буфера как часть закрытия проекта целостности сигнала .
Аналогичным образом, вместо того, чтобы просто связать все 64 выходных бита с одним вентилем NOR с 64 входами для генерации флага Z на 64-битном ALU, разработчики схем обнаружили, что дерево работает намного быстрее - например, если Z флаг, генерируемый вентилем ИЛИ-НЕ с 8 входами, и каждый из их входов генерируется вентилем ИЛИ с 8 входами.
Напоминает основную экономию , одна оценка общей задержки такого дерева - общее количество стадий по задержке каждой стадии - дает оптимум (минимальную задержку), когда каждая стадия дерева масштабируется на е , приблизительно 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.
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 с более высоким током увеличивает скорость, поскольку ; Проще говоря, ток - это скорость протекания заряда, поэтому увеличенный 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 может потребоваться моделирование IBIS для точного определения динамического разветвления, поскольку динамическое разветвление четко не определено в большинстве таблиц. (См. Внешнюю ссылку для получения дополнительной информации.)
Смотрите также
- FO4 - разветвление из 4
- Fan-in - количество входов логического элемента
- Реконвергентное разветвление
- Упаковка на уровне пластин с разветвлением
- Вес Хэмминга