Общие сведения о комбинационных ИС и устройствах

ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

Общие сведения о комбинационных ИС и устройствах

Как показано выше, базовые и вспомогательные логические элементы (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ, И, ИЛИ, И-ИЛИ-НЕ и др.) являются теми «кирпичиками», из которых строятся сколь угодно сложные функциональные узлы и блоки цифровых систем. Функциональные узлы и б л елки выполняют различные арифметические и логические операции: суммирование, кодирование, коммутацию, сравнение чисел и т. д. Они либо монтируются ж отдельных ИС, содержащих простые ЛЭ или другие «мелкие» функциональные элементы, либо изготавливаются в виде отдельной ИС. В дальнейшем при многоэлементном способе реализации эти узлы и блоки будем называть функциональными устройствами, а при реализации в виде отдельной микросхемы – функциональными ИС. Причем, если в контексте излагаемого материала отсутствует необходимость подчеркивать способ реализации, то для упрощения под устройством будем понимать и эквивалентную ему функциональную ИС.

Функциональные ИС и устройства принято делить на два класса: ИС и устройства комбинационного и накапливающего типов. К комбинационному типу относят такие ИС и устройства, в которых логическое состояние выходов зависит от комбинации входных сигналов, действующих в данный момент времени, и не зависит от предыдущего состояния, т. е. в их составе отсутствуют элементы памяти. Поэтому их еще называют автоматами без памяти или примитивными автоматами.

Функционирование ИС и устройств комбинационного типа задается с помощью функций алгебры логики, либо в виде таблицы истинности. В связи с тем, что буквенные обозначения входов устройства и подаваемых на них сигналов нередко одинаковы, обозначения в выражениях и таблицах условимся относить к сигнализирующим значения1 и 0 в соответствии с положительной логикой.

Основные технические параметры функциональных ИС и устройств определяются параметрами базовых ЛЭ, а некоторые (E_и.п., U¹, U⁰, U_пор, I⁰_вх, I¹_вх,К_раз ) полностью совпадают с параметрами ЛЭ. Поэтому ниже приведены лишь производные параметры. К ним относятся: потребляемая мощность, быстродействие, структурная сложность.

Потребляемая мощность выражается как

где I_пит.ср –средний ток в цепи питания i-го элемента устройства.

Быстродействие характеризуется временем задержки установления требуемого значения выходного сигнала от момента подачи входного сигнала. Это время зависит от быстродействия ЛЭ, составляющих устройство, и представляется в виде

где п - количество элементов в цепи прохождения сигнала от входа до выхода.

Структурная сложность выражается структурной глубиной и объемом оборудования. Структурная глубина - это число последовательно включенных элементов, образующих самую продолжительную цепь прохождения сигнала от входа на выход устройства. Чем больше структурная глубина, тем ниже быстродействие. Объем оборудования определяется количеством ЛЭ или корпусов ИС в устройстве.

Одно и то же по своему назначению цифровое устройство может быль реализовано по-разному. Отличия могут составлять не только базис логических элементов, на которых разрабатывается устройство, но и его функциональная схема. Поэтому при синтезе ставится задача не просто разработки устройства, а разработки его наиболее рациональным способом.

Если набор ЛЭ задан, то суть синтеза сводится к следующему.

1. Задаются функции, которые должно выполнять устройство (обычно в виде таблицы истинности).

2. Записываются эти функции аналитически в совершенной дизъюнктивной или конъюнктивной нормальной формах (СДНФ или СКНФ).

3. С помощью законов алгебры логики выражения преобразуются к требуемому базису и минимизируются.

По минимизированным выражениям строится функциональная схема устройства. Минимизированные выражения, как правило, неоднозначны, т. е. многовариантные. Поэтому окончательное решение принимается после анализа вариантов с целью выявления наилучшего для предъявленных требований.