8.14. Комбинационные функциональные схемы, реализованные на стандартных ИМС

С помощью карт Карно можно построить логику, чтобы выполнять достаточно сложные функции, такие, как, например, двоичное сложение и сравнение величин, контроль по паритету, мультиплексирование (выбор одного из нескольких входов, который определяется двоичным адресом) и т. п.

Рис. 8.31. Счетверенный -входовый селектор.

В реальности сложные функции, которые используются наиболее часто, реализуются в виде функциональных ИМ С средней степени интеграции (до 100 вентилей в корпусе). Хотя в состав многих из этих СИС входят триггеры, которые мы скоро будем рассматривать, большинство из них выполняют чисто комбинационные функции и состоят целиком из одних вентилей. Давайте посмотрим, «какие звери населяют зоопарк, именуемый комбинационные интегральные схемы средней степени интеграции.

Счетверенная 2-входовая схема выборки.

Весьма полезным устройством является счетверенная -входовая схема выборки. Она фактически представляет собой -полюсный двухпозиционный переключатель логических сигналов. Основная идея такого переключателя иллюстрируется рис. 8.31. Когда вход ВЫБОР (SELECT-SEL на рисунке) имеет низкий уровень, сигналы на выходах Q поступают с соответствующих входов А, при высоком уровне на входе ВЫБОР - со входов В. Когда высокий уровень действует на входе РАЗРЕШЕНИЕ (ENABLE-E на рисунке), все выходы устройства принудительно устанавливаются в состояние низкого уровня. Несколько позже мы рассмотрим эту важную идею более подробно, а сейчас приведем лишь таблицу истинности, в которой X означает, что состояние данного входа не имеет значения, В-высокий уровень, Н-низкий уровень.

Схема на рис. 8.31 и ее таблица истинности соответствуют схеме 157. Та же самая функция реализуется также с инверсным выходом (158) и с выходом на 3 состояния (прямые выходы; 257; инверсные: 258).

Упражнение 8.15. Покажите, как с помощью вентилей И-ИЛИ-НЕ построить -входовую схему выборки.

Хотя в некоторых случаях функцию выборки можно реализовать с помощью механического переключателя, тем не менее по ряду причин предпочтительнее использовать вентили. Вентильная схема обладает следующими преимуществами: а) она дешевле; б) коммутация всех каналов производится быстро и одновременно; в) с помощью логических сигналов, сформированных в устройстве, можно производить переключение практически мгновенно; г) даже тогда, когда управление выборкой осуществляется от переключателя, расположенного на передней панели устройства, для того чтобы избежать воздействия помехи и снижений уровней за счет вияния емкостей, логические сигналы лучше не пропускать через кабели и переключатели. Так как избираемый вентиль отпирается уровнем постоянного напряжения, логические сигналы управления могут быть взяты с той же платы, на которой он расположен. Это позволяет сократить внешние связи (достаточно одной линии с нагрузкой, коммутируемой на землю с помощью однополюсного тумблера). Такой способ управления логической схемой с помощью внешних уровней постоянного напряжения называют «холодной коммутацией».

Он оказывается более предпочтительным, чем непосредственное управление сигналами от ключей, потенциометров и т.п. Кроме прочих преимуществ холодная коммутация позволяет вести управляющие линии, шунтированные конденсаторами, подавляя тем самым взаимные наводки, в то время как сигнальные линии в общем случае шунтировать конденсаторами нельзя. Некоторые примеры холодной коммутации нам еще встретятся в дальнейшем.

Передающие вентили.

Как уже указывалось в разд. 3.11 и 3.12, с помощью элементов КМОП можно построить «передающий вентиль». Это - два параллельно включенных комплементарных ключа на полевых МОП-транзисторах, через которые входной (аналоговый) сигнал, лежащий в пределах от 0 до , может либо непосредственно подаваться на выход через низкое сопротивление (несколько сотен омов), либо отрываться (выходное сопротивление фактически равно бесконечности). Как вы, наверное, помните, такие устройства являются двунаправленными и для них не имеет значения, какой из выходов используется в качестве входа, а какой в качестве выхода. Передающие вентили прекрасно работают с цифровыми уровнями КМОП и широко применяются в КМОП-схемах. На рис. 8.32 показана структурная схема счетверенного двухстороннего КМОП-ключа типа 4066. Каждый ключ имеет индивидуальный управляющий вход, высокий уровень на котором замыкает ключ, а низкий - размыкает. Отметим, что передающие вентили являются просто ключами, и поэтому не обладают способностью к разветвлению по выходу, т. е. они просто пропускают входной логический уровень, не обеспечивая дополнительную нагрузочную способность без дополнительной возможности усиления.

Рис. 8.32. Счетверенный двусторонний ключ.

Рис. 8.33. 8-входной мультиплексор.

С помощью передающих вентилей можно построить схемы выборки на 2 и более входов для цифровых уровней КМОП и аналоговых сигналов. Связку передающих вентилей можно использовать для того, чтобы производить выбор одного из нескольких входов (вырабатывая управляющие сигналы с помощью дешифратора, как будет показано ниже). Эта логическая функция настолько широко используется, что получила официальное название «мультиплексора», который будет рассмотрен в следующем разделе.

Упражнение 8.16. Покажите, как с помощью передающих вентилей построить схему выборки на два входа. Здесь нужно использовать инвертор.

Мультиплексоры.

Вентиль выборки на два входа известен также под названием -входового мультиплексора. Промышленностью выпускаются также мультиплексоры на 4, 8 и 16 входов (устройства на 4 входа выпускаются сдвоенными, т. е. по 2 в одном корпусе). Двоичный адрес служит для выбора входа, сигнал с которого должен поступать на выход. Например, мультиплексор, имеющий 8 информационных входов, использует для адресации к ним -разрядный адресный вход. Это показано на рис. 8.33, где представлен цифровой мультиплексор типа 151. Он имеет стробирующий (или разрешающий) вход Е, работающий в отрицательной логике, а также прямой и инверсный выходы.

Если устройство закрыто (на входе Е действует высокий уровень), выход Q будет иметь низкий уровень, a Q - высокий независимо от состояния адресных и информационных входов.

В семействе КМОП имеются два типа мультиплексоров. Первый применяется только для работы с цифровыми сигналами, имеет входной порог и регенерирует на выходе «чистые» уровни, которые соответствуют входному состоянию. Таким же образом работают все функциональные элементы ТТЛ. Примером является микросхема 153 ТТЛ-мультиплексор. К другому типу устройств относятся аналоговые и двунаправленные КМОП мультиплексоры, которые фактически представляют собой набор передающих вентилей, КМОП-мультиплексоры 4051 и 4053 работают таким образом (помните, что логика, выполненная из передающих вентилей, не может разветвляться). Так как передающие вентили являются двунаправленными, эти мультиплексоры могут использоваться в качестве «демультиплексоров или дешифраторов», которые мы рассмотрим в следующем разделе.

Упражнение 8.17. Покажите, как построить мультиплексор на 4 входа, используя а) обычные вентили, б) вентили с тремя состояниями и в) передающие вентили. При каких обстоятельствах будет предпочтительным вариант

Рис. 8.34. Наращивание мультиплексора.

Иногда при разработке логических устройств может оказаться, что потребуется производить набор из большего числа входов, чем имеются в мультиплексоре. Этот вопрос относится к общей задаче расширения микросхем, которое заключается в использовании нескольких микросхем с небольшими индивидуальными возможностями, и применяется для построения дешифраторов, памяти, регистров сдвига, арифметически-логических и других устройств. Как видно из рис. 8.34, расширение выполняется очень просто. Здесь показано, как имея два мультиплексора на 8 входов построить мультиплексор на 16 входов. Конечно, в схемах имеется дополнительный адресный бит, который вы используете для выбора одного устройства или другого. На невыбранном мультиплексоре 151 выход Q поддерживается на низком уровне, что позволяет произвести объединение через вентиль ИЛИ. Если выходы имеют три состояния, то расширение производится еще проще: для этого достаточно непосредственно объединить выходы.

Демультиплексоры и дешифраторы.

Входной сигнал принимается демультиплексором и направляется им на один из нескольких выходов в соответствии с двоичным кодом, действующим на адресных входах. Остальные выходы в этом случае находятся либо в неактивном состоянии, либо в состоянии разомкнутой цепи. Аналогично работает и дешифратор. Единственное отличие состоит в том, что на входы подается только адрес, возбуждающий один из возможных выходов. На рис. 8.35 показан такой пример.

Рис. 8.35. Дешифратор «1 из 8».

Дешифратор из 8" имеет низкий уровень на выходе, который соответствует входному -разрядному коду (адресу), а на остальных выходах - высокий уровень. В частности этот дешифратор имет три входа разрешение, все из которых должны быть активны (два - низкого и один - высокого уровня), иначе все выходы имеют высокий уровень. Основное применение дешифратора - заставить происходить различные события, которые зависят от состояния «счетчика», который управляет этим (скоро об этом тоже поговорим подробно).

Дешифраторы обычно используются при сопряжении с микропроцессором, когда необходимо выполнить различные действия в зависимости от адреса. Мы будем рассматривать это детально в гл. 10.

Другим применением общего использования дешифратора является организация (разрешение) последовательности действий, согласно достигнутого адреса, заданного выходом двоичного счетчика (разд. 8.25). В заключение, о «брате» схемы которая представляет сдвоенный дешифратор "1 из 4" с раздельным одиночным разрешением по низкому уровню. На рис. 8.36 показано, как использовать два дешифратора из 8 типа 138 для получения дешифратора "1 из . Как видно из рисунка, при этом не требуются внешние элементы, поскольку схема 138 имеет входы разрешения обеих полярностей (низкого и высокого уровней).

Упражнение 8.18. Большое расширение: постройте дешифратор "1 из 64" на девяти устройствах 138. Подсказка: используйте один из них для разрешения подключения других.

Рис. 8.36. Наращивание дешифратора.

В КМОП-логике мультиплексоры, которые используют передающие вентили, также являются демультиплексорами, поскольку передающие вентили являются двунаправленными. Когда они используются таким образом, важно сознавать, что выходы, которые не выбраны, отключены. Нагрузочный резистор, или эквивалентный ему, должны быть использованы для обеспечения правильного функционирования логики с такими выходами (те же самые требования, что и с -венти-лями с открытым коллектором).

Существует другой тип дешифраторов, который обычно входит в состав всех логических семейств. Примером такого дешифратора служит преобразователь двоично-десятичного кода в семисегментный с формирователями для управления цифровым индикатором 47. Эта схема в соответствии с двоично-десятичным кодом, действующим на входе, формирует сигналы на всех выходных линиях, связанных со входами семисегментного цифрового индикатора, воспроизводящего десятичный символ.

Устройство такого типа фактически является преобразователем кодов, но в обычной практике используется название дешифратор. В табл. 8.6 в конце главы представлено большинство применяемых дешифраторов.

Упражнение 8.19. Используя вентили, постройте преобразователи двоично-десятичого кода в десятичный из .

Приоритетный шифратор.

Приоритетный шифратор формирует на выходе двоичный код, соответствующий входу с наивысшим номером (приоритетом), который возбуждается.

Наиболее часто эта схема используется в аналого-цифровых преобразователях с параллельным преобразованием (см. следующую главу) и в проектировании микропроцессорных ситем.

Примерами устройств такого типа являются схема выходных разряда) приоритетный шифратор и схема .

Упражнение 8.20. Спроектируйте простейший дешифратор, у которого -разрядный адрес на выходе будет указывать, какой из четырех входов имеет высокий уровень (все остальные входы должны иметь низкий уровень).

Сумматоры и другие арифметические устройства.

На рис. 8.37 изображен -разрядный полный сумматор. Он прибавляет -разрядное двоичное число к -разрядному числу и вырабатывает на выходе -разрядную сумму плюс разряд переноса . Для суммирования больших величин сумматоры можно наращивать. Для этой цели предусмотрен вход , на который поступает выходной сигнал переноса от предыдущего (младшего) сумматора. На рис. 8.38 показано, как строится схема для суммирования двух -разрядных двоичных чисел.

Рис. 8.37. 4-разрядный полный сумматор.

Рис. 8.38. Наращивание сумматора.

Часто в качестве сумматоров используются арифметико-логические устройства (АЛУ). Эти устройства фактически предназначены для выполнения целого ряда различных функций. В частности, -разрядная АЛУ 181 (с возможностью расширения для обработки слов большей длины) может выполнять сложение, вычитание, сдвиг двоичных разрядов, сравнение величин и некоторые другие функции. Время выполнения арифметических операций в сумматорах и АЛУ находится в пределах от наносекунд до десятков наносекунд в зависимости от типа логического семейства.

Итегральные умножители выпускаются в конфигурациях 8 бит бит или 16 бит бит. Разновидностью умножителей, которые в основном используются для цифровой обработки сигналов, являются так называемые умножители-накопители, которые накапливают сумму произведений. Они также выполняются в размерах с -битовым произведеием плюс несколько дополнительных бит для сохранения суммы от переполнения. Умножители-накопители и умножители выпускаются с временем 25-50 не; у ЭСЛ-умножителей время меньше —5 не (тип.) для умножителей .

Другим арифметическим устройством, которое используется в цифровой обработке сигналов, является коррелятор, который сравнивает соответствующие биты двух цепочек битов, вычисляя число совпавших битов. Типовой интегральный коррелятор сравнивает два -разрядных, которые могут сдвигаться во внутренних регистрах сдвига. Какой-либо набор бит может игнорироваться («маскироваться») в корреляции. Типовые времена составляют 30 не, т. е. лента бит может тактироваться с частотой 35 МГц, с разрешением 7 бит в корреляции для каждого такта. Вычисляется отклонение (как в цифровом фильтре с КИХ) вместо суммы (с переносом) попарносвязанных произведений двух цепочек целых чисел. Типичные размеры - целые числа от 4 до 10 бит при длине от 3 до 8 слов (конечно, имеющие возможность расширения).

Наиболее сложными арифметическими кристаллами являются процессоры с плавающей запятой, которые осуществляют сравнение, суммирование, умножение, вычисление тригонометрических функций, экспонент и корней. Обычно они используются совместно с определенными микропроцессорами и приспособлены для работы в стандарте, известном как IEED754, который определяет размеры слов (до 80 бит), формат и т.д. Примерами таких устройств (плюс основные микропроцессоры) являются схемы 8087 (80848), 80287 (80286), 80387 (80386) и 68881 (68020/30). Они имеют действительно ошеломляющую производительность в 10 Мегафлопс (миллион операций с плавающей запятой в секунду) или более.

Компараторы. На рис. 8.39 показан -разрядный компаратор чисел, который определяет относительные значения чисел А и В и вырабатывает на выходе сигналы результатов сравнения: . Входы допускают наращивание для обработки чисел длиной более 4 бит.

Рис. 8.39. Компаратор.

Упражнение 8.21. Сконструируйте компаратор, используя вентили «исключающее или», который будет сравнивать -разрядные числа А и В и определять, когда .

Схема формирования и контроля бита паритета.

Это устройство предназначено для выработки паритетного бита, который добавляется к информационному «слову» при передаче (или записи) данных, а также для проверки правильности паритета при восстановлении этих данных. Паритет может быть четным или нечетным (при нечетном паритете для каждого символа общее число битов (разрядов), содержащих 1, нечетно). Например, формирователь паритета 1280 принимает -разрядное слово и в соответствии с состоянием управляющего входа вырабатывает на выходе четный или нечетный бит. Конструктивно схема представляет собой набор вентилей «исключающее или».

Упражнение 8.22. Подумайте, как сделать формирователь паритета, используя вентили «исключающее или».

Программируемые логические устройства.

Вы можете строить ваши собственные комбинационные (и даже последовательные) логические схемы на кристалле, используя ИС, которые содержат массив вентилей с программируемыми перемычками. Существуют несколько вариантов таких устройств, из которых наиболее популярными являются ПМЛ (программируемая матричная логика - PAL) и ПЛМ (программируемая логическая матрица -PLA). ПМЛ, в частности, стали крайне недорогими и гибкими устройствами, которые должны войти как часть инструмента каждого разработчика. Мы будем описывать комбинационные ПМЛ в следующем разделе.

Некоторые другие незнакомые функции.

Существует много других комбинационных схем средней степени интеграции, представляющих несомненный интерес. Например, в семействе КМОП есть схема - "мажоритарная логика", которая говорит, что возбуждена большая часть входов.

Имеется также двоично-десятичное устройство дополнения до 9, назначение которого не требует пояснений. Существует схема «барабан-сдвигатель», которая сдвигает входное число на (задаваемое) разрядов и может наращиваться до любой длины.