الصورة أدناه تظهر 8086 بلورة تحت المجهر. تظهر طبقة معدنية أعلى الرقاقة ، يتم تحتها إخفاء ركيزة من السيليكون وطبقة بولي سيليكون مع الموصلات. على طول المحيط الخارجي للبلورة ، تربط رابطة سلكية دقيقة منصات الكريستال بالأرجل الخارجية. يحتوي جهاز 8086 على لوحة طاقة في الوسادات العلوية والأرضية في الأعلى والأسفل. كل منهم له سلكان لأسلاك اللحام ، مما يضاعف التيار المدعوم. تظهر مسارات معدنية عريضة تمتد من وسادات الطاقة والأرض. يوزعون الطاقة عبر الشريحة.
صورة من الكريستال 8086 ، حيث يمكنك رؤية نقطة إمداد الطاقة (أعلى) وملامسات الأرض (أعلى وأسفل). توجد دوائر التوقيت في الأسفل.
هناك نوعان من إشارات الساعة الداخلية المسؤولة عن المزامنة في 8086. يقوم مذبذب خارجي بتغذية إشارات الساعة إلى 8086 من خلال لوحة ساعة الإدخال أدناه. يوفر مولد الساعة الداخلي إشارتين للساعة عالية الحالية بناءً على إشارات خارجية. لاحظ أن برنامج تشغيل الساعة يشغل مساحة كبيرة على الشريحة.
في هذه المقالة ، سأصف كيف يعيد 8086 توجيه إشارات الطاقة والساعة عبر الشريحة ، وكيف تولد دائرة الساعة نبضات الساعة المطلوبة.
توزيع الطاقة
يتكون 8086 من ثلاث طبقات ، كل منها يمكن أن تستوعب الموصلات. تعتبر الطبقة المعدنية الموجودة في الأعلى هي الأفضل لهذا بسبب انخفاض مقاومة المعدن. تحت المعدن طبقة موصل من البولي سيليكون مصنوعة من نوع خاص من السيليكون. تكون مقاومة البولي سيليكون أعلى من مقاومة المعدن ، ولكن لا يزال من الممكن استخدامها لنقل الإشارات عبر الشريحة. تتشكل الترانزستورات على ركيزة السيليكون. تعتبر مقاومة السيليكون عالية نسبيًا ، لذا فهي تستخدم فقط لنقل الإشارات عبر مسافات قصيرة - على سبيل المثال ، داخل البوابة.
يعتبر توزيع الطاقة في شريحة مثل 8086 لغزًا طوبولوجيًا. نظرًا لمقاومتها المنخفضة ، تظل الطبقة المعدنية هي الطبقة الوحيدة المفيدة عمليًا لتوصيل الطاقة والأسلاك الأرضية. تحتاج جميع البوابات الموجودة على الشريحة تقريبًا إلى التشغيل والتأريض. وبما أن الشريحة تحتوي على طبقة معدنية واحدة ، فلا يمكن أن تتقاطع الطاقة والأرض.
تحتاج جميع البوابات الموجودة على الشريحة تقريبًا إلى الطاقة والأرض لأن بوابة MOS القياسية تتطلب أرضية لشبكتها المنسدلة والطاقة لمقاومة السحب الخاصة بها. ومع ذلك، هناك بعض الاستثناءات القليلة. 8086 يستخدم بوابات منطقية ديناميكية ، خاصة في ALU - للسرعة. تنجذب هذه البوابات لأعلى بواسطة إشارة المزامنة ، لذلك فهي لا تحتاج إلى مصدر طاقة مباشر. يستخدم 8086 أيضًا بوابات XOR متعددة في ترانزستورات التغذية ، والتي يتم سحبها لأسفل بواسطة الإشارة الواردة ، لذلك لا يحتاجون إلى الأرض.
تشكل ذاكرة القراءة فقط ذات الرمز الصغير جزءًا كبيرًا من الرقاقة التي لا تحتاج إلى طاقة ، فقط الأرض. هذا لأن كل صف من ذاكرة القراءة فقط يتم تنفيذه كبوابة NOR كبيرة جدًا ، والقوة التي تسحبه لأعلى تقع على الحافة اليمنى. لذلك ، تتمتع جميع بوابات ROM بالطاقة والأرض ، على الرغم من أنه يبدو أن ROM يفتقر إلى اتصال الطاقة.
يوضح الرسم البياني أدناه الموصلات المعدنية في 8086. يظهر مصدر الطاقة المتصل بدبوس الطاقة في الأعلى باللون الأحمر. ينحدر فرع قوي من الطعام إلى الأسفل وإلى اليمين ، ثم ينقسم إلى عدة فروع. تعمل الطاقة أيضًا على طول حافة الشريحة بأكملها ، مما يوفر الطاقة لمنافذ الإدخال / الإخراج.
مع الدوائر المتكاملة ، يحدث غالبًا أن تقع الطاقة والأرض في زوايا متقابلة أو على جوانب متقابلة من الشريحة. يسهل هذا الترتيب توجيه مسارات الطاقة والأرض التي لا تتقاطع مع بعضها البعض. يتميز الموديل 8086 بموضع غير عادي قليلاً للقوة والأرض على دبابيس متقابلة قطريًا ، والأرض الثانية أقرب إلى دبوس الطاقة. تتفرع شبكات الطاقة والأراضي الموجودة على الشريحة مثل الأشجار. تتفرع هذه الشبكات ، مثل الأصابع المتشابكة ، تصل إلى جميع أجزاء الشريحة.
قوة (حمراء) وأرضية (زرقاء ، خضراء) على الطبقة المعدنية للرقاقة
هناك نوعان من الاتصالات الأرضية. تتصل المسارات المميزة باللون الأزرق بالدبوس الأرضي العلوي ، والمسارات الخضراء بالجزء السفلي. تُظهر المسارات الأرضية المميزة باللون الأزرق تفرعات سميكة لأسفل من خلال مركز الشريحة وتتفرع بطريقة معقدة في جميع الاتجاهات. تعمل الممرات الخضراء على طول الجزء السفلي والجانب الأيسر والأيمن من الشريحة ، وتدعم دبابيس الإدخال / الإخراج بالإضافة إلى الاتصال بذاكرة القراءة فقط للرمز الصغير في أسفل اليمين.
بالانتقال بعيدًا عن مصدر الطاقة والاقتراب من نقاط النهاية ، تصبح موصلات الطاقة أرق وينخفض التيار. يمكن ملاحظة ذلك في موصل الطاقة إلى العنوان ودبابيس البيانات أدناه. على اليسار أسفل جهات الاتصال ، يكون الموصل ذو الأرض عريضًا جدًا ، لكنه يضيق تدريجياً ، متجهًا إلى اليمين. بمعنى آخر ، على اليسار ، يجب على الموصل إجراء التيار من جميع جهات الاتصال ، وعلى الجانب الأيمن للغاية ، من جهة واحدة فقط.
أصبح اتصال العنوان ودبابيس البيانات بالأرض أرق (استدارة الجانب الأيسر للرقاقة بزاوية 90 درجة).
تُستخدم الطبقة المعدنية لنقل العديد من الإشارات ، وليس فقط الطاقة والأرض. نظرًا لمقاومتها المنخفضة ، فهي أفضل طبقة إرسال إشارة. ومع ذلك ، فإن الاستخدام الواسع النطاق للكهرباء والموصلات الأرضية يحد من قدرات الطبقة المعدنية. لتجنب التقاطع ، تعمل معظم مسارات الإشارة على الطبقة المعدنية بالتوازي مع مسارات الطاقة. يتم استخدام طبقة من البولي سيليكون تحتها لنقل الإشارات العمودية. ولكن ماذا يحدث إذا احتاج موصل معدني إلى عبور مسار طاقة أو مسار أرضي؟ الحل هو رسمها من الأسفل. تنخفض الإشارة إلى مستوى البولي سيليكون ، وتعبر المسار ، ثم ترتفع مرة أخرى كما هو موضح أدناه.
تستخدم مثل هذه المعابر السفلية في كثير من الحالات ، ليس فقط مع الطعام. ومع ذلك ، غالبًا ما يتعلق الأمر بالتغذية. عادة ، يتم استخدام الموصلات المعدنية لنقل الإشارات في اتجاه واحد ، وتستخدم موصلات البولي سيليكون لنقل الإشارات في الوضع العمودي. في أماكن مختلفة على الشريحة ، تتغير هذه الاتجاهات وتعتمد على الاتجاه السائد لنقل الإشارة. لذلك ، في معظم الأحيان ، تنتقل الإشارات دون عوائق. ومع ذلك ، غالبًا ما يتعين عليهم القفز من طبقة إلى أخرى.
تعبر الإشارات الموجودة على الطبقة المعدنية مسارات الإمداد من الأسفل عبر طبقة البولي سيليكون
إذا تم توجيه الطاقة والأرض بالكامل تقريبًا إلى الطبقة المعدنية ، فإن هذه الدائرة تتعطل في مكانين ، ويتم استخدام المسارات التي تمر عبر الجزء السفلي لتزويد الطاقة. يحدث هذا غالبًا في الأقسام الأخيرة من المسارات ، حيث يكون التيار منخفضًا بالفعل. يظهر أحد الأمثلة أدناه - حيث تمر الأرض مرتين من أسفل الطبقة المعدنية باستخدام موصلات البولي سيليكون. لتقليل المقاومة ، أصبحت مسارات الالتفاف هذه أوسع بكثير من مسارات الإشارة وتستخدم أيضًا السيليكون والبولي سيليكون معًا. دوائر صغيرة من خلال التلامس [عن طريق] بين طبقات المعدن والبولي سيليكون.
صورة مركبة تظهر مسارات الالتفافية الأرضية التي تمر عبر البولي سيليكون أسفل مسارات الإشارة.
تلعب طبقة السيليكون دورًا ثانويًا في توصيل الطاقة. على وجه الخصوص ، يتم تمديد العديد من البوابات للوصول إلى السلطة والأرض من الجانب الآخر. تُظهر الصورة أدناه بوابات 8086. لاحظ المساحات الكبيرة من السيليكون المُخدر (الأبيض) الذي يتم سحبه للوصول إلى الأرض وقضبان الطاقة. يتم استخدام جزء صغير فقط من السيليكون للترانزستورات ، ويبدو أن كل شيء آخر مضيعة للفضاء. ومع ذلك ، فإن هذه الأجزاء الفارغة من السيليكون تربط البوابات بالموصلات المعدنية التي توفر الطاقة والأرض. نظرًا لأن السيليكون يتمتع بمقاومة عالية نسبيًا ، يتم استخدام مساحات واسعة لهذا الغرض ، وتمتد المفاصل نفسها على مسافات قصيرة.
يمكن إطالة البوابات المصنوعة من السيليكون المخدر للوصول إلى قضبان الطاقة والأرض. لهذه الصورة ، تمت إزالة الطبقة المعدنية.
بعد تحديث 8086 وتقليصه جسديًا ، كانت لديه مشكلات أخرى في أسلاك الطاقة. مع تحسين تكنولوجيا التصنيع ، قامت إنتل بتوسيع نطاق البلورات - تركت الدوائر كما هي ، لكنها قللتهم بشكل متناسب. لسوء الحظ ، يؤدي تقليل حجم مسارات الطاقة أيضًا إلى تقليل الحد الأقصى للتيار. لحل هذه المشكلة ، تم تعزيز مسارات الطاقة حول الشريحة وتقليل الدوائر الداخلية والأسلاك. يمكن رؤية ذلك في الصورة أدناه - على سبيل المثال ، هناك العديد من مسارات الطاقة في الركن الأيمن السفلي من 8086 الأصغر.
نسختان من 8086 بنفس المقياس. الكريستال الموجود على اليمين هو إصدار أحدث ، تم تقليل حجمه.
تستخدم جميع أجهزة الكمبيوتر تقريبًا إشارات الساعة للتحكم في توقيت المعالج. يستخدم 8086 ، مثل العديد من المعالجات الدقيقة ، برنامج تشغيل ساعة من مرحلتين داخليًا. يحتوي برنامج تشغيل الساعة ذي المرحلتين على ساعتين - عندما تكون الأولى عالية ، تكون الثانية منخفضة ، والعكس صحيح ، كما هو موضح أدناه. يتم تشغيل بعض الدوائر باستخدام إشارة المزامنة الأولى والبعض الآخر بالإشارة الثانية. يشير مخطط تشغيل 8086 إلى عدم وجود تداخل بين مرحلتي إشارات المزامنة وعدم تناسقها - هناك فجوة بين اللحظات التي تصبح فيها إشارة المزامنة منخفضة والارتفاع الثاني.
يتكون برنامج تشغيل الساعة ثنائي الطور من إشارتين على مدار الساعة ذات قطبية معاكسة على
الرغم من أن جميع أجهزة الكمبيوتر تقريبًا تستخدم إشارات الساعة للتزامن ، فإن الجهازكانت بنية IAS (المشهورة في الخمسينيات) غير متزامنة ، وتعمل بدون إشارات على مدار الساعة. بدلاً من ذلك ، ترسل كل دائرة ، عند الانتهاء ، نبضة إلى التالية ، مما يؤدي إلى تشغيل الخطوة التالية. كانت العديد من أجهزة الكمبيوتر في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي مبنية على هذه البنية ، بما في ذلك CYCLONE و ILLIAC و JOHNNIAC و MANIAC و SEAC و IBM 701. يستمر البحث في إمكانيات الحوسبة غير المتزامنة ، ولكن الأنظمة المتزامنة تهيمن بالتأكيد. تستخدم المعالجات ، من بين أشياء أخرى ، إشارات الساعة لمنع ردود الفعل غير المرغوب فيها في الدوائر. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك عداد البرامج الذي تزيد سلسلته من قيمتها وتعيدها إلى العداد. لا تريد أن تستمر القيمة الجديدة في الزيادة.
تتمثل إحدى الطرق في استخدام المشغلات التي تقوم بتحديث القيمة عندما تنتقل الإشارة من منخفض إلى مرتفع. بعد ذلك سيتم تحديث العداد في الوقت الوحيد المطلوب. ومع ذلك ، مع إشارة المزامنة ثنائية الطور ، يمكن إنشاء الدائرة على مزلاج حساسة للمستوى ، وتصميمها أبسط بكثير من المشغلات الحساسة لتغيرات الإشارة. عندما تكون إشارة المزامنة الأولى عالية ، يتلقى النصف الأول من الدرجة قيمة إدخال ويقوم بإجراء حسابات منطقية. عندما تكون إشارة المزامنة الثانية عالية ، يتلقى الجزء الثاني من السلسلة النتيجة من النصف الأول ويقوم بإجراء جميع الحسابات اللازمة ، ويتم حظر الجزء الأول. النقطة المهمة هي أنه يمكن تحديث نصف السلسلة فقط في وقت واحد ، مما يمنع التعليقات غير المرغوب فيها.
يحتوي جهاز 8086 على متطلبات صارمة لساعة الإدخال ، والتي يجب أن تكون عالية لثلث الوقت. عادة ، تم إنشاء 8086 بواسطة رقاقة 8284 وكريستال كوارتز. قسمت الرقاقة إشارة الساعة الواردة بمقدار 3 لتوفير دورة عمل الساعة بنسبة 33٪ التي تتطلبها 8086.
في المعالجات الحديثة ، تكون إشارة التوقيت معقدة للغاية لأن الإشارة يجب أن تنتقل إلى جميع أجزاء الشريحة في وقت واحد. تستخدم المعالجات الحديثة تسلسلاً هرميًا لمسارات الساعة ، وتوازن أوقات السفر على طول كل مسار ، وغالبًا ما توفر تخزينًا مؤقتًا منفصلًا لكل مسار. للمقارنة ، فإن تخطيط إشارة الساعة 8086 واضح ومباشر ، نظرًا لأن تردد الساعة من 5-10 ميجاهرتز أقل بعدة أوامر من حيث الحجم من المعالجات الحديثة. في هذه الترددات المنخفضة نسبيًا ، لا يهم طول المسار حقًا ، لذا يمكن لنبضات الساعة 8086 أن تتبع مسارات متعرجة.
منذ أن استخدم 8086 المنطق الديناميكي ، كان لديه أيضًا سرعة ساعة دنيا تبلغ 2 ميجاهرتز. إذا كان التردد أقل ، فهناك خطر تسرب الشحن قبل تجديده ، مما قد يؤدي إلى حدوث أعطال. كان الحد الأدنى لتردد الساعة غير مريح من وجهة نظر تصحيح الأخطاء ، حيث كان من المستحيل إبطاء إشارة الساعة أو إيقافها.
مسارات المزامنة في 8086. الأخضر هو المزامنة الأولى والأحمر هو الثاني ، مع المرحلة المعاكسة
يوضح الرسم البياني أعلاه مسارات ساعة 8086. المرحلة 1 باللون الأخضر والمرحلة 2 باللون الأحمر. في الجزء السفلي من الشريحة ، تظهر دوائر السائق على مدار الساعة كنقاط كبيرة. من هناك ، تتفرع إشارات المزامنة عبر الشريحة بأكملها. بالنسبة للجزء الأكبر ، تعمل مرحلتا الساعة بالتوازي ، على عكس الطاقة والأرض بفروعهما المقابلة.
نظرًا لأن إشارات الساعة تصل إلى جميع أجزاء الرقاقة ، فإنها تتطلب تيارًا أكثر بكثير من الإشارات التقليدية ، وبالتالي يتم توجيهها في الغالب إلى الطبقة المعدنية. عندما تحتاج إشارات المزامنة إلى عبور مسارات الطاقة ، فإنها تمر تحتها ، كما هو موضح أدناه. لاحظ أن حلول المزامنة غير منتظمة الشكل - فهي أكثر بكثير من الحلول البديلة للإشارات الأخرى ، مثل Q bus.
المسارات الالتفافية لمصدر الطاقة كبيرة جدًا. يحتوي ناقل Q (نقل الأوامر من قائمة انتظار الأوامر إلى وحدة فك التشفير) على عدد أقل من ذلك بكثير.
لتوفير إشارات متزامنة ذات تيار عالٍ ، تم بناء دارة المشكل الخاصة بهم على ترانزستورات كبيرة. الصورة أدناه تقارن أحد هذه الترانزستورات بترانزستور منطقي نموذجي. إن ترانزستورات المحرك أكبر بحوالي 300 مرة ، لذا فهي قادرة على توصيل حوالي 300 ضعف التيار. يتكون الترانزستور من 10 ترانزستورات موضوعة على التوازي - 10 خطوط عمودية من البولي سيليكون تشكل 10 بوابات. يتم إنشاء كل إشارة مزامنة بواسطة زوج من الترانزستورات الكبيرة ، يقوم أحدهما بسحبه لأعلى والآخر لأسفل.
ترانزستور كبير في مشغل الساعة مقارنةً بالترانزستور المنطقي المجاور
تُظهر الصورة أدناه التخطيطي لمولد نبض المزامنة. تقسم الدائرة إشارة الساعة الخارجية إلى مرحلتين ، وتضمن عدم تداخلها وتضخيمها. المربع الوردي على اليسار عبارة عن منصة لسائق ساعة خارجي. تنتقل الإشارة عبر سلسلة من الترانزستورات تنتهي بترانزستورات المحرك الكبيرة على الجانب الأيمن. الموصلات البنية هي عبارة عن بولي سيليكون يشكل البوابات. تحتوي العديد من الترانزستورات على بوابات متعرجة ، لذا فإن الترانزستور الكبير يناسب مساحة صغيرة.
دائرة سائق على مدار الساعة على الرقاقة. تمت إزالة الطبقة المعدنية. الترانزستورات الكبيرة مرئية. دبوس إدخال المزامنة الخارجية - مربع وردي على اليسار.
يوجد أدناه رسم تخطيطي مبسط قليلاً لمولد الساعة. المثلثات عبارة عن محركات عالية التيار مصنوعة من ترانزستورات أو ثلاثة. المدخل المقلوب (الدائرة) يسحب الإخراج لأسفل. على الجانب الأيسر من دبوس مزامنة الإدخال ، يوجد المقاوم والصمام الثنائي الصغير الذي يحميه (تمامًا مثل دبابيس الإدخال الأخرى). ثم يتم تقسيم إشارة المزامنة إلى طور معكوس (أعلى) وطور معكوس (أسفل).
رسم تخطيطي مبسط لمولد الساعة 8086
تمنع الدوائر الإضافية إشارات المزامنة من التداخل: عندما تكون إشارة واحدة عالية ، يؤدي هذا من خلال إدخال مقلوب إلى انخفاض الإشارة الثانية. لفهم كيفية عمل ذلك ، لنبدأ باللحظة التي تكون فيها الإشارة على clk في الدبوس عالية. الإشارات clk في والساعة مرتفعة ، بينما تكون ^ clk في ^ و ^ clock ^ منخفضة. الآن ، لنفترض أن الإشارة الواردة إلى clk تنخفض ، مما يتسبب في انخفاض الإشارة إلى الداخل وترتفع ^ clk in ^ لأعلى. ومع ذلك ، لا يمكن أن يرتفع إخراج ^ clock ^ حتى تنخفض الساعة. بعد ذلك ، ستمر الإشارة ^ clk in إلى المحركات السفلية ، وتسحب ^ الساعة لأعلى بعد تأخري البوابة مرتين. النقطة هي أن الساعة و ^ clock ^ لا يتم تبديلهما في نفس الوقت. بعد أن ينخفض أحدهما ، هناك تأخير قبل أن يرتفع الآخر.نتيجة لذلك ، نحصل على إشارات مزامنة غير متداخلة.
هذا وصف تقريبي للغاية - على وجه الخصوص ، لست متأكدًا مما يحدث عندما يقوم ترانزستور واحد بسحب إشارة لأعلى ويقوم آخر بسحب نفس الإشارة لأسفل. تعتمد المحاكاة الدقيقة للعملية على الأحجام النسبية للترانزستورين.
خاتمة
يستخدم الطراز 8086 مخطط طاقة مثيرًا للاهتمام ، لكن المعالجات الحديثة تعمل على مستوى مختلف تمامًا. إذا احتاج جهاز 8086 إلى 350 مللي أمبير ، فقد يحتاج المعالج الحديث إلى أكثر من 100 أمبير. يستخدم 8086 3 من 40 أرجل للطاقة والأرض. تحتوي معالجات Intel Core i5 الحديثة على 128 دبوس طاقة و 377 طرفًا أرضيًا (من إجمالي 1151 سنًا). في حين أن الطبقات المعدنية العديدة في الرقائق الحديثة تحل مشاكل الأسلاك 8086 ، فإنها تقدم تعقيدات جديدة مثل تقسيم الشريحة إلى أقسام طاقة ، مما يسمح لك بإيقاف تشغيل الأقسام غير المستخدمة.
في المعالجات الحديثة بسرعاتها المتعددة غيغا هرتز ، يكون توصيل إشارات المزامنة أكثر تعقيدًا ، لأن ملليمترًا إضافيًا من المسار يمكن أن يؤثر سلبًا على إشارة المزامنة. لحل هذه المشكلات ، تستخدم المعالجات الحديثة أشياء مثل أشجار H أو شبكات توزيع الساعة ، بدلاً من مجرد مسارات متفرعة مثل 8086. في حين أن 8086 يحتوي على دائرة بسيطة لتوليد الساعة على مرحلتين ، غالبًا ما تستخدم المعالجات الحديثة حلقة مغلقة الطور لتجميع إشارة الساعة. ، والعديد من الدوائر المنتشرة في جميع أنحاء الشريحة التي توفر وتتحكم في إشارات الساعة. ولكن في حين أن 8086 أبسط بكثير من المعالجات الحديثة ، إلا أنه يحتوي على العديد من الأمثلة على الدوائر المثيرة للاهتمام.