Introduction aux circuits intégrés numériques
Électronique - Du transistor au microprocesseur, cours et exercices.

Sommaire et contenu du livre "Introduction aux circuits intégrés numériques - Électronique - Du transistor au microprocesseur, cours et exercices."

Table des matières CHAPITRE 1 : Introduction à la Microélectronique 1 La microélectronique 1 1.1 Description d'un circuit intégré 2 1.2 Evolution des circuits intégrés 3 2 Miniaturisation 5 3 1nterêt des circuits intégrés 6 4 Réalisation des circuits intégrés 7 4.1 La fabrication 8 4.2 La conception des C.I 10 5 Perspectives de la miniaturisation 16 Exercices 17 Solutions 17 CHAPITRE II: Le transistor MOS 1 Introduction 18 2 Le transistor M.O.S 19 3 Le modèle interrupteur 20 3.1 Fonctionnement du transistor MûS 21 3.2 Porte de transmission 22 4 Structure générale des circuits CMOS 22 5 Fonctions combinatoires CMOS 24 5.1 Assemblage série de transistors NMûS reliés à la masse: 24 5.2 Assemblage parallèle de transistors NMOS reliés à la masse 24 5.3 Assemblage série de Transistors PMûS reliés à l'alimentation 25 5.4 Assemblage parallèle de transistors P reliés à l'alimentation 25 5.5 La Porte NAND : 25 5.6 La Porte NOR: 26 5.7 Généralisation 27 5.8 Fonction combinatoire quelconque 28 6 Les portes en cascade 29 7 La bascule D 30 Exercices 32 Solutions 34 CHAPITRE Ill: Fabrication des circuits intégrés 1 Réalisation des tranches de silicium 39 1.1 Traitement du sable 39 1.2 Raffinage du silicium 39 1.3 Obtention de la structure cristalline 39 1.4 Traitement des lingots 40 2 Traitement des tranches 40 2.1 Dépôt métallique 41 2.2 Dopage 41 2.3 Epitaxie 42 2.4 Oxydation 42 3 Photolithographie 43 3.1 Dépôt de la résine 43 3.2 Insolation 43 3.3 Développement 44 3.4 Gravure 44 3.5 Elimination de la résine 45 3.6 Un procédé lithographique complet 45 4 Fabrication de transistors MOS 46 4.1 Transistor à grille métallique 46 4.2 Transistor à grille silicium (auto alignée) 46 5 Différentes technologies 47 6 Salles blanches 48 7 Le test des C./ 49 8 Rendement de fabrication des C.l 49 9 Catégories des C./ 50 9.1 Les circuits sur mesure ou (full custom) 50 9.2 Prédiffusés 50 9.3 Les circuits configurables 51 Exercices 53 Solutions 54 CHAPITRE IV: Le dessin des masques 1 Dessin de masques ou schéma physique 55 1.1 Règles d'interconnexions 55 1.2 Quelques exemples 58 2 Dessin des masques régulier 60 2.1 Règle de collage 60 2.2 Règle des angles 60 2.3 Règle des entrées 60 2.4 Règle de la bande de diffusion ou d'active 61 2.5 Règle d'interconnexion entre portes (routage) 61 2.6 Quelques exemples 61 3 Dessin de portes complexes 63 4 Dimensions minimales d'un dessin 64 4.1 Règles de dimensions 65 4.2 Règles d'espacement 65 4.3 Règles de recouvrement. 65 4.4 Méthodologie de dessin 66 4.5 Exemple: dessin d'un inverseur 66 5 Dessin de circuits composés de plusieurs portes 67 5.1 Exemple du comparateur 1 bit 67 5.2 Exemple du comparateur quatre bits 69 6 Applications 70 6.1 L'addition 70 6.2 La soustraction 73 6.3 La multiplication 74 Exercices 78 Solutions 79 CHAPITRE V: Optimisation des performances des circuits CMOS 1 Introduction 88 2 Modèle Re des transistors MOS 90 2.1 Les transistors 90 2.2 Les interconnexions 91 2.3 La capacité de sortie d'une cellule Csortie : 91 3 Délai de propagation 92 3.1 Définition 92 3.2 Estimation du délai d'un assemblage en série de transistors 93 3.3 Estimation du délai d'une porte 94 3.4 Estimation du délai d'un circuit 95 3.5 Optimisation du délai d'un circuit 97 4 La consommation d'énergie 99 5 Influence de la miniaturisation sur les performances 100 5.1 Réduction de l'échelle avec réduction de la tension 101 5.2 Réduction de l'échelle à tension constante 101 Exercices 102 Solutions 104 CHAPITRE VI: Logiques CMOS 1 La logique complémentaire 106 2 La logique proportionnelle 106 3 La logique dynamique 108 4 La logique domino 111 5 La logique à base de portes de transmission 111 6 Applications 116 6.1 Réalisation de circuits complexes avec des multiplexeurs 116 6.2 L'unité arithmétique et logique (UAL) 119 6.2.1 UAL première version 119 6.2.2 UAL deuxième version 121 Exercices 125 Solutions 127 CHAPITRE VII: Les Circuits à Mémoire 1 Les bascules 131 1.1 Les bascules dynamiques 131 1.2 Les bascules statiques 132 1.3 Problème de transparence des bascules 132 1.4 Dessin des masques d'une bascule à niveau 134 1.5 Dessin des masques d'une bascule à front. 134 2 Les registres 135 2.1 Registre à 4 entrées parallèles 135 2.2 Registre série ou à décalage 135 3 Transferts de registres 135 3.1 Transfert de registres directs 135 3.2 Transfert de registres à travers un bus de données 136 3.3 Transfert à travers un MUX 137 3.4 Synchronisation des transferts 137 3.5 Application à la transformation d'un circuit séquentiel 139 4 La mémoire RAM 141 4.1 Lecture d'une RAM 142 4.2 Ecriture dans une RAM 142 4.3 Organisation linéaire 142 4.4 Organisation matricielle 143 5 La mémoire cache 145 Exercices 148 Solutions 149 CHAPITRE VIII: Architecture Opérative/Contrôle des C.I. 1 notion d'architecture 152 1.1 La partie opérative 153 1.2 La partie de contrôle 153 2 Représentations d'une architecture 153 2.1 Le comportement 153 2.2 Transformation d'un ASM en architecture 154 3 Génération du dessin de la partie operative 159 4 Etude de cas: La Multiplication série 160 5 Téchniques d'optimisation 163 5.1 La technique d'ordonnancement 163 5.2 La technique de pipe-line 165 6 Applications 166 6.1 Le calcul du factoriel 166 6.2 La division 167 6.3 Le calcul de puissance 169 Exercices 171 Solutions 172 CHAPITRE IX: Architecture des Microprocesseurs 1 Introduction 176 2 Exemple d'architecture dite Von Neuman 177 2.1 Codage des instructions 177 2.2 Définitions des instructions ou ISA 178 2.3 Exemple de programme du microprocesseur 178 2.4 Logigramme de décodage de l'ISA 179 2.5 La partie opérative du microprocesseur 180 2.6 La partie contrôle du microprocesseur 181 2.7 Architecture complète du microprocesseur 182 3 Architectures CISC/RISC 186 3.1 La simplicité des instructions et des modes d'adressages 186 3.2 Le concept registre-registre ou (Ioad/store) 187 3.3 La mémoire hiérarchisée 187 3.4 Le pipe-line 187 3.5 La partie contrôle réalisée en hardware 187 3.6 Les compilateurs optimisants 188 3.7 Exemple d'architecture 188 4 Le multiprocessing 191 4.1 Architecture SMP (ou Architecture à mémoire partagée) 191 4.2 Architecture MMP (ou Architecture à mémoire distribuée) 192 5 L'évolution des microprocesseurs 192 6 Perspectives 193 Annexe 1 : Le Langage VHDL 194 Bibliographie 203 Index 204