Глава 11. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ

11.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Комбинационной схемой называется схема из логических (переключательных) элементов, реализующая булеву функцию или совокупность булевых функций. В общем случае КС можно представить схемой, приведенной на рис. 11.1, где — входы КС, а — ее выходы.

Под логическим (переключательным) элементом чаще всего понимают техническое устройство, реализующее одну элементарную булеву функцию.

Прикладная теория цифровых автоматов не рассматривает физические явления, лежащие в основе разработки и функционирования логических элементов. Обычно логический элемент понимается как «черный ящик» и учитывается только реализуемая элементом булева функция. Примеры логических элементов конъюнкции, дизъюнкции, И — НЕ, ИЛИ - НЕ, реализующих соответствующие булевые функции двух переменных, представлены на рис. 11.2.

Под глубиной (числом уровней) КС понимается максимальное число логических элементов, расположенных на пути следования сигнала от входов КС к ее выходу. Глубина КС оказывает существенное влияние на быстродействие КС, так как каждый логический элемент обладает внутренней задержкой распространения сигнала. Одно- и двухуровневые КС обладают максимальным быстродействием. Однако они не всегда могут быть использованы, поскольку число входов реальных логических элементов в интегральном исполнении ограничено.

Если КС реализует одну булеву функцию, то она называется одновыходовой КС (рис. 11.3). Если КС реализует совокупность булевых функций, то она называется многовыходовой КС.

Комбинационным схемам соответствуют схемы без обратных связей (под обратной связью понимается соединение выхода некоторого логического элемента со своим входом, возможно» через цепочку других логических элементов (рис. 11.4)).

Логические элементы, используемые для построения КС, характеризуются определенными техническими параметрами, среди которых нас будут интересовать коэффициент объединения по входу коэффициент объединения по выходу V (коэффициент разветвления) и задержка сигнала в логическом элементе.

Система функций, реализуемая выбранной для синтеза схем совокупностью логических элементов, всегда должна быть функционально полной, т. е. допускать реализацию любой булевой функции на основе принципа суперпозиции. Если в качестве системы функций выбраны функции И, ИЛИ, НЕ, то считают, что реализован булев базис. Проектирование КС в булевом базисе

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Рис. 11.3

Рис. 11.4

наиболее просто, так как методы минимизации булевых функций в основном ориентированы на него. Поэтому, как правило, на первом этапе КС проектируется в булевом базисе с последующим переходом в заданный базис. Если выбраны функции НЕ — И или НЕ - ИЛИ, то считают, что реализуется универсальный или монофункциональный базис. Для удобства проектирования в различных системах элементов возможна реализация и смешанного базиса.

Конструктивно логические элементы объединяются в единые корпуса — интегральные микросхемы (ИМС). В общем случае, под интегральной микросхемой понимается микроэлектронное изделие, имеющее высокую плотность упаковки элементов и соединений между ними; при этом все элементы выполнены нераздельно и электрически соединены между собой таким образом, что с точки зрения спецификации, испытаний, поставки и эксплуатации изделие рассматривается как единое целое. В одном корпусе ИМС могут быть один, два и более логических элементов. Это обстоятельство накладывает ограничение на качество проектирования КС, а именно: коэффициент использования логических элементов в корпусах не должен быть низким. Например, если при проектировании КС применяется ИМС, содержащая в своем корпусе три логических элемента, то Оптимальный вариант структуры КС Должен использовать все три элемента. Последним иногда пренебрег гают, учитывая в первую очередь требования технологического порядка.

Число логических элементов, объединяемых в один корпус ИМС, характеризует степень интеграции логических элементов. Степень иитеграции влияет ни надежность, габаритные размеры, энергопотребляемость проектируемых КС, Различают ИМС малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции, По критериям принятым в 70х годах обычно при оценке степени интеграции ИМС учитывается число логических двухвходовых элементов И, реализуемых одном кристалле ИМС: малые интегральные схемы — до 10 элементов, средние интегральные схемы — до 100 элементов, большие интегральные схемы (БИС) — до 1000 элементов и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — более 1000 логических двухвходовых элементов И, размещаемых на одном кристалле ИМС.

В настоящее время в связи с общим повышением уровня технологии более часто используют другие оценки: до 100 000 вентилей — БИС, более 100 000 вентилей — СБИС.

Коэффициент объединения по входу логического элемента ИМС задает максимальное число логических элементов, выходы которых могут быть объединены на входе данного элемента.

Коэффициент объединения по выходу (коэффициент разветвления) логического элемента ИМС задает максимальное число входов логических элементов, которые могут быть соединены с выходом данного логического элемента без нарушения режима его работы.

Если некоторый логический элемент КС оказался перегруженным по выходу (после окончания проектирования то необходимо произвести эквивалентное преобразование структуры КС с целью его разгрузки. Это преобразование сводится либо к введению в КС специальных усилителей-формирователей, либо к (Дублированию данного логического элемента.

Рис. 11.5

Задержка логического элемента характеризует промежуток времени между моментами установления сигналов на входах и выходах логического элемента. Распространение сигнала по КС в зависимости от задержек логических элементов, через которые он проходит, характеризует быстродействие КС, Прохождение сигналов по различным путям в КС вызывает появление различных задержек, что может послужить причиной неустойчивого функционирования КС.

Современные средства вычислительной техники собираются из ИМС, типовых как по физическим принципам функционирования, так и по выполняемым логическим функциям.

Основные требования к комплекту ИМС следующие:

1) ИМС комплекта должны обеспечивать возможность построения различных устройств и систем обработки цифровой информации;

2) число различных типов ИМС должно быть оптимальным, чтобы обеспечивалась простота эксплуатации сложных систем и взаимозаменяемость их частей;

3) в комплекте должны быть предусмотрены ИМС, которые не выполняют логических функций, а согласуют нагрузочные характеристики логических элементов и обеспечивают формирование электрических сигналов;

4) ИМС комплекта должны быть технологичными в изготовлении и удобными для проверки их электрических параметров;

5) комплект ИМС должен быть функционально полным;

6) комплект ИМС должен содержать специальные ИМС, предназначенные для построения управляющих цепей, запоминающих устройств, цепей связи запоминающих и логических устройств, согласования электромеханических устройств (реле, переключателей, механизмов перфорации и печати) и логических устройств, связи различных устройств с устройствами ввода-вывода информации, индикации информационных состояний и генерации высокостабильных тактовых сигналов.

В процессе реализации конкретных схем решаются задачи обеспечения необходимых характеристик надежности. В общем случае эти характеристики могут быть рассчитаны, исходя из надежностных характеристик элементов и конкретной схемы (это касается не только комбинационных схем). В тех случаях, когда расчетная надежность не удовлетворяет исходным требованиям, применяются специальные методы повышения надежности. Среди них наиболее интересными, с точки зрения теории цифровых автоматов, являются методы контроля работы схем с использованием помехоустойчивых кодов (см. гл. 13, 14).

Таким образом, можно сказать, что на этапе структурного синтеза решается задача построения комбинационной схемы, реализующей заданную Совокупность булевых функций и удовлетворяющей заданным требованиям быстродействия и надежности.

Примеры функциональных электрических схем некоторых ИМС представлены на рис. 11.5.