Fonctionnement d'un ordinateur/L'interface électrique entre circuits intégrés et bus
Les circuits intégrés sont connectés au monde extérieur, par l'intermédiaire de leurs broches. Broches qui peuvent servir d'entrée ou de sortie. Nous allons étudier les sorties des circuits intégrés, car il y a des choses importantes à dire dessus. Dans ce chapitre, nous allons voir qu'il existe trois types de sorties différentes. L'intérêt est qu'interconnecter des circuits intégrés entre eux demande de savoir comment ces sorties fonctionnent. Nous détaillerons les interconnexions dans les chapitres sur les bus et les liaisons point à point, où les acquis du présent chapitre seront réutilisés. De plus, la section sur le OU câblé à la fin du chapitre sera utile dans le chapitre sur les mémoires ROM.
Les trois types de sorties : totem-pole, trois états et à drain ouvert
modifierLes sorties des circuits intégrés peuvent se classer en plusieurs types, selon leur fonctionnement. Pour les sorties basées sur des transistors, on distingue principalement les sorties totem-pole, les sorties à drain ouvert et les sorties trois-état. Et les trois donnent des bus très différents.
Les sorties totem-pole sont les plus communes pour les circuits CMOS. Ce sont des sorties qui sont connectées à deux transistors : un qui relie la sortie à la masse, et un autre qui la relie à la tension d'alimentation. En technologie CMOS, elles sont équivalentes à des sorties connectées à une porte logique. Elles sont toujours connectées soit à la masse, soit à la tension d'alimentation.
Les sorties trois-état peuvent prendre trois états, comme leur nom l'indique. Soit elles sont connectées à la masse, soit elles sont reliées à la tension d'alimentation, soit elles ne sont connectées ni à l'une ni à l'autre. Si les deux premiers cas correspondent à un 0 et à un 1, l'état déconnecté ne correspond à aucun des deux. Il s'agit d'un état utilisé quand on souhaite déconnecter ou connecter à la demande certains composants dans un circuit.
Les sorties à drain/collecteur ouvert sont soit connectées à la masse, soit connectées à rien. La sortie peut être mise à 0 par le circuit intégré, mais elle ne peut pas être mise à 1 sans intervention extérieure. Pour utiliser une sortie à drain ouvert, il faut relier la sortie à la tension d'alimentation à travers une résistance, appelée résistance de rappel. Il existe aussi une variante, où la sortie peut être mise à 1 par le circuit intégré, ou être déconnectée, mais ne peut pas être mise à 0 sans intervention extérieure. Ici on connecte la sortie à la masse, et non à la tension d'alimentation.
Les sorties à drain ouvert et les sorties trois-états sont très utilisés quand il s'agit de connecter plusieurs circuits intégrés entre eux. Vous comprendrez en quoi ces sorties sont utiles quand nous parlerons des mémoires et des bus de communication, et nous en reparlerons longuement dans le chapitre sur les bus électroniques. Nous verrons que de nombreux bus exigent que les circuits branchés dessus aient des entrées-sorties trois-états, ou en drain/collecteur ouvert.
Transformer une sortie totem-pole en sortie trois états
modifierIl est possible de fabriquer une sortie trois-états à partir d'une sortie totem-pole normale. Pour cela, il faut placer une porte logique modifiée juste avant la sortie totem-pole. Cette porte logique est une porte OUI améliorée appelée tampon trois-état. Elle possède une entrée de donnée, une entrée de commande, et une sortie : suivant ce qui est mis sur l'entrée de commande, la sortie est soit en état de haute impédance (déconnectée du bus), soit dans l'état normal (0 ou 1).
| Commande | Entrée | Sortie |
|---|---|---|
| 0 | 0 | Haute impédance/Déconnexion |
| 0 | 1 | Haute impédance/Déconnexion |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Pour simplifier, on peut voir ceux-ci comme des interrupteurs :
- si on envoie un 0 sur l'entrée de commande, ces circuits trois états se comportent comme un interrupteur ouvert ;
- si on envoie un 1 sur l'entrée de commande, ces circuits trois états se comportent comme une porte OUI.
Les tampons trois-états ressemblent aux portes à transmission, à un détail près : ce sont des composants actifs, qui régénèrent le signal d'entrée. Là où les portes à transmission sont électriquement équivalentes à un interrupteur, ce n'est pas le cas des tampons trois-états. Les tampons trois-états sont reliés à la tension d'alimentation et à la masse, ils amplifient un peu le signal d'entrée si besoin.
Un tampon trois-état est parfois implémenté avec le circuit ci-dessous. Son fonctionnement est simple à expliquer. Si le bit de commande vaut 0, la sortie des deux portes vaut 0 et les deux transistors sont ouverts. Si le bit de commande vaut 1, les deux sorties des portes ET sont l'inverse l'une de l'autre. Si le bit d'entrée est à 1, le transistor du haut se ferme et met un 1 en sortie, alors que le transistor du bas s'ouvre. Si le bit d'entrée est à 0, c'est l'inverse, la sortie est reliée à la masse et sort un 0. Si le bit de commande est à 0, la sortie des deux portes sort un 0, les deux transistors se ferment.
Transformer une sortie totem-pole en sortie à collecteur ouvert
modifierIl est possible de fabriquer une sortie à collecteur ouvert à partir d'une sortie totem-pole normale. Pour cela, il faut placer un transistor en aval de la sortie normale. Les sorties à drain ouvert utilisent un transistor MOS, les sorties à collecteur ouvert utilisent un transistor bipolaire au lieu d'un transistor MOS. Le tout est illustré ci-dessous.
La sortie est mise à 0 ou 1 selon que le transistor est ouvert ou fermé. Si le transistor est ouvert, la sortie est connectée à la tension d'alimentation, ce qui fait que la sortie est à 1. Si le transistor est fermé, la tension d'alimentation est reliée à la masse, la tension d'alimentation est alors aux bornes de la résistance, et la sortie est donc au niveau de la masse : elle est à 0.
Pour la variante où la sortie est soit à 1 ou déconnectée, on peut procéder de la même manière, en plaçant un transistor en aval de la sortie. Mais il est aussi possible d'utiliser un autre composant que le transistor : une diode. Une diode est un composant qui ne laisse passer le courant que dans un sens : de l'entrée vers la sortie, mais pas dans l'autre sens. La diode est dite bloquée quand elle ne laisse pas passer le courant, passante quand le courant passe. La diode est passante si on met une tension suffisante sur l'entrée, bloquée sinon. En clair, la diode recopie un 1 présenté sur l'entrée, mais déconnecte la sortie quand on présente un 0 sur l'entrée.
Le ET câblé et le OU câblé avec des sorties à drain ouvert
modifierLes sorties à drain ouvert ont une particularité assez sympathique, qui permet d'implémenter une porte ET simplement en croisant des fils. Il suffit de connecter ces sorties au même fil et de relier celui-ci à la tension d'alimentation à travers une résistance. On obtient alors un ET câblé, qui fait un ET entre plusieurs sorties d'un circuit intégré. Il est illustré ci-dessous.
La tension d'alimentation est reliée au fil à travers une résistance, ce qui permet d'imposer un 1 sur la sortie, à condition que les sorties en collecteur ouvert soient coopératives. Si toutes les sorties sont à 1, elles sont déconnectées, et la sortie est connectée à la résistance de rappel : le circuit sort un 1. Par contre, si une seule sortie sort un 0, elle connectera la tension d'alimentation à la masse et mettra la sortie à 0. C'est le comportement attendu d'une porte ET.
Pour comprendre comment cela fonctionne, rappelons qu'une sortie en collecteur ouvert est connectée à un transistor relié à la masse. En explicitant ce transistor dans les schémas du dessus, on obtient le schéma ci-dessous. Vous remarquerez qu'il ressemble très fortement au schéma d'une porte logique NOR en technologie NMOS, même le transistor NMOS est remplacé par un transistor bipolaire.
Le OU câblé fonctionne sur le même principe, avec cependant deux grosses différences. Premièrement, les sorties en collecteur ouvert doivent soit imposer un 1 sur la sortie, soit la déconnecter. C'est le fonctionnement inverse à celui vu précédemment. Deuxièmement, la résistance est reliée à la masse, ce qui permet d'imposer un 0 sur la sortie si les sorties en collecteur ouvert soient coopératives. Si toutes les sorties sont à 0, elles sont déconnectées, et la sortie est connectée à masse à travers la résistance de rappel : le circuit sort un 0. Par contre, si une seule sortie sort un 1, elle impose le 1 sur la sortie. C'est le comportement attendu d'un OU.
En théorie, beaucoup de circuits peuvent se simplifier en utilisant des OU/ET câblés. C'en est au point où de nombreux circuits que nous allons voir dans la suite de ce cours pourraient se simplifier grâce à ces montages. Mais ils sont peu utilisés en pratique, surtout sur les circuits CMOS.
Les multiplexeurs fabriqués avec un OU câblé
modifierUn exemple d'utilisation est la fabrication de multiplexeurs. Pour rappel, un multiplexeur est composé d'un décodeur combiné à une couche de portes ET suivies par une porte OU à plusieurs entrées.
Sur les vieux circuits et avec les vielles technologies de fabrication, il était intéressant de remplacer la porte OU finale par une porte OU câblée. Utiliser un ou câblé permettait aussi de remplacer les portes ET par des portes à transmission, plus simples.
Un OU câblé peut se faire de plusieurs manières, mais la plus commune demande que les sorties des portes logiques ET soient de type collecteur ouvert, à savoir qu'elles fournissent seulement un 1, et déconnectent leur sortie quand elles doivent sortir un 0 (ou inversement). De plus, il faut relier le fil soit à la masse (à la tension d'alimentation) à travers une résistance. Le circuit illustré ci-dessous utilise une méthode similaire. Le OU câblé est en réalité un circuit équivalent à une porte NAND réalisée avec un ET câblé. Le ET câblé est plus simple à fabriquer, mais le circuit utilise une porte logique en plus.