6. Комбинационные узлы на основе логических элементов. Применение комбинационных микросхем.

Описание и основы син-теза комбинационных цифровых узлов

При построении сложных систем в цифровой технике в качестве элементной базы применяют функционально завершенные и конструктивно оформленные в виде ИМС узлы, построенные на базе логических и запоминающих элементов.

Комбинационные устройства (узлы) реализуют логические функции

y1 = f1 (x1 , x2 , ...... xr),

•••••••••••••••••••••••••••••••••••

yq = fq (x1 , x2 , ...... xr),

причем выход-ные переменные в такте nТ полностью определяются комбинацией вход-ных переменных в том же такте.

Все они могут быть построены с помощью соединения, как правило, однотипных логических элементов. Например, узел суммирования одноразрядных двоичных чисел в полном базисе И, ИЛИ, НЕ описывают логические выражения для суммы img01 и избытка (переноса) img02, которым соответствует структурная схема узла.Отдельные части устройства могут быть реализованы на базе более крупных блоков. Так функция y1 описывает типовой элемент “исключающее ИЛИ” (сумму по модулю два).

Приведенное описание комбинационного узла с помощью логической формулы, соответствует статическому режиму, т.е. справедливо для всей части такта за исключением интервалов переключения ЛЭ (переходных режимов).

На практике при синтезе комбинационных цифровых устройств (КЦУ) ис-пользуют также другие формы их описания, которые необходимо преобразовать в логические соотношения для построения структуры устройства. Например, возможно содержательное (словесное) описание, которое для приведенного суммирующего узла имеет вид: на первом выходе высокое напряжение будет при высоком напряжении только на одном входе, на втором выходе высокое напряжение будет при единичных сигналах первого и второго входов. Наиболее распространенным является представле-ние КЦУ в виде таблицы истинности, когда каждому набору входных переменных ста-вятся в соответствие значения выходных функций.(табл.6.1)

Таблица 6.1. Описание суммирующего узла

А В y1 = s y2 = р

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

Табличное описание КЦУ и технические требования (электрическими, эксплуатационными) служат исходными данными для синтеза, при котором учитывают статические параметры ЛЭ и время рас-пространения сигналов.

Статические параметры комбинационных устройств определяются статиче-скими параметрами входящих ЛЭ (значениями нулевых и единичных уровней напря-жения, коэффициентами разветвления и объединения, напряжением переключения и т.п.).

Динамические параметры, например, среднее время задержки на пути рас-пространения сигнала, зависит от числа последовательно (каскадно) соединенных ЛЭ в цепочке. Различное число ЛЭ на путях прохождения сигналов приводит к отличаю-щимся интервалам времени их распространения, называемым “состязания” (“гонки”), которые могут привести к ошибочным срабатываниям элемента.

Синтез комбинационных узлов содержит этапы:

-логический, т.е. переход от содержательного к формализо-ванному описанию в виде таблицы истинности, логической формулы и минимизация полученного выражения;

-структурный, состоящий в реализации логической функции в виде набора типовых элементов, т.е. построение структурной схемы на за-данном элементном базисе;

-схемотехнический, включающий составление принципи-альной электрической схемы в соответствии со структурой.

Процесс синтеза (логического, структурного и схемотехнического) включает последовательность типичных операций:

-выбор способа реализации и вида элементной базы, кото-рая определяется с учетом требований к электрическим параметрам (уровни напряже-ний, помехоустойчивость, потребление и т.д.);

-получение логической функции и ее минимиза-ция;

-преобразование к выбранному базису и способу реализа-ции (на начальном этапе схема проектируется в полном базисе И, ИЛИ, НЕ и затем преобразуется к заданному);

-синтез электрической схемы;

-оптимизация электрической схемы.

Применение комбинационных микросхем.

Комбинационные микросхемы выполняют более сложные функции, чем простые логические элементы. Их входы объединены в функциональные группы и не являются полностью взаимозаменяемыми.

Например, любые два входа ЛЭ И-НЕ можно поменять местами, от этого выходной сигнал никак не изменится, а для комбинационных микросхем это невозможно, так как у каждого входа своя особая функция.

Объединяет комбинационные микросхемы с ЛЭ то, что и те и другие не имеют внутренней памяти. То есть уровни их выходных сигналов всегда однозначно определяются текущими уровнями входных сигналов и никак не связаны с предыдущими значениями входных сигналов.

Любое изменение входных сигналов обязательно изменяет состояние выходных сигналов. Именно поэтому ЛЭ иногда также называют комбинационными микросхемами в отличие от последовательных (или последовательностных) микросхем, которые имеют внутреннюю память и управляются не уровнями входных сигналов, а их последовательностями.

Строго говоря, все комбинационные микросхемы построены внутри из простейших ЛЭ, и эта их внутренняя структура приводится в справочниках. Но для разработчика цифровой аппаратуры эта информация обычно лишняя, ему достаточно знать только таблицу истинности, только принцип преобразования входных сигналов в выходные, а также величины задержек между входами и выходами и уровни входных и выходных токов и напряжений.

Внутренняя же структура важна для разработчиков микросхем, а также в тех случаях, когда надо построить новую комбинационную микросхему из микросхем простых ЛЭ.

Состав набора комбинационных микросхем, входящих в стандартные серии, был определён исходя из наиболее часто встречающихся задач. Требуемые для этого функции реализованы в комбинационных микросхемах наиболее оптимально, с минимальными задержками и минимальным потреблением мощности.