Основні цифрові логічні схеми

Інтегральні схеми

Вентилі виробляються і продаються не по окремості, а в модулях, що називаються інтегральними схемами (ІС) або мікросхемами. Інтегральна схема – це квадратний шматочок кремнію розміром приблизно 5x5 мм, на якому знаходиться кілька вентилів. Маленькі інтегральні схеми звичайно містяться в прямокутні пластикові або керамічні корпуси розміром від 5 до 15 мм у ширину і від 20 до 50 мм у довжину. Уздовж довгих боків розташовується два паралельних ряди виводів близько 5 мм у довжину, які можна вставляти в роз’єми або впаювати в друковану плату. Кожен вивід з'єднується з входом або виходом деякого вентиля, або з джерелом живлення, або з «землею». Корпус із двома рядами виводів зовні й інтегральними схемами усередині офіційно називається дворядним корпусом (Dual Inline Package, скорочено DIP), але всі називають його мікросхемою, стираючи розходження між шматком кремнію і корпусом, у який він міститься. Більшість корпусів мають 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28,40, 64 або 68 виводів. Для великих мікросхем часто використовуються корпуси, у яких виводи розташовані з усіх чотирьох боків або знизу.

Мікросхеми можна розділити на кілька класів з погляду кількість вентилів, що вони містять. Ця класифікація, звичайно, дуже груба, але іноді вона може бути корисна:

- МІС (мала інтегральна схема): від 1 до 10 вентилів.

- СІС (середня інтегральна схема): від 1 до 100 вентилів.

- БІС (велика інтегральна схема): від 100 до 100 000 вентилів.

- НБІС (надвелика інтегральна схема): більше 100 000 вентилів.

Ці схеми мають різні властивості і використовуються для різних цілей.

МІС звичайно містить від двох до шести незалежних вентилів, кожний з яких може використовуватися окремо. На рис. 4.9 зображена звичайна мікросхема МІС, що містить чотири вентилі НЕ-І. Кожний з цих вентилів має два входи й один вихід, що вимагає наявності 12 виводів. Крім того, мікросхемі потрібне живлення (V_cc) і «земля» (GND). Вони розділяються усіма вентилями. На корпусі поруч з виводом 1, як правило, є паз, щоб можна було визначити, що це вивід 1. Щоб уникнути плутанини на діаграмі, за згодою не показуються невикористані вентилі, джерело живлення і «земля».

Подібні мікросхеми коштують кілька центів. Кожна мікросхема МІС містить кілька вентилів і приблизно до 20 виводів. У 70-і роки комп'ютери конструювалися з великої кількості таких мікросхем, але в даний час на одну мікросхему містять цілий центральний процесор і істотну частину пам'яті (кеш-пам'яті).

Рис. 4.9 - Мікросхема МІС, що містить 4 вентилі

Для зручності приймається, що у вентиля з'являються зміни на виході, як тільки з'являються зміни на вході. Насправді існує визначена затримка вентиля, яка складається з часу проходження сигналу через мікросхему і час перемикання. Час затримки звичайно складає від 1 до 10 нс.

В даний час стало можливим розміщувати до 100 млн транзисторів на одну мікросхему (ядро процесора Реntium IV містить 42 млн транзисторів). Внаслідок того, що будь-яка схема може бути сконструйована з вентилів НЕ-І, може створитися враження, що виробник здатний виготовити мікросхему, що містить 5 млн вентилів НЕ-І. Але для створення такої мікросхеми буде потрібно 15 000 002 виводів. Оскільки стандартний вивід займає 0,1 дюйм, мікросхема буде більше 18 км у довжину, що негативно позначиться на купівельній спроможності. Тому щоб використовувати переваги даної технології, потрібно розробити такі схеми, у яких кількість вентилів сильно перевищує кількість виводів.

4.5. Комбінаційні схеми

Багато застосувань цифрової логіки вимагають наявності схем з декількома входами і декількома виходами, у яких вихідні сигнали визначаються поточними вхідними сигналами. Така схема називається комбінаційною схемою. Не всі схеми мають таку властивість. Наприклад, схема, що містить елементи пам'яті, може генерувати вихідні сигнали, що залежать від значень, які зберігаються в пам'яті. Мікросхема, що реалізує таблицю істинності (наприклад, приведену на рис. 4.3 а,являє типовий приклад комбінаційної схеми. Розглянемо найбільш часто використовувані комбінаційні схеми.

Мультиплексори. На цифровому логічному рівні мультиплексор – це схема з 2ⁿ входами, одним виходом і п лініями керування, що вибирають один із входів. Обраний вхід з'єднується з виходом. На рис. 4.10 зображена схема восьмивходового мультиплексора. Три лінії керування А, В і С кодують 3-бітне число, що вказує, яка з восьми ліній входу повинна

Рис. 4.10 - Схема восьмивходового мультиплексора

з'єднуватися з вентилем АБО і, отже, з виходом. Поза залежністю від того, яке значення буде на лініях керування, сім вентилів І будуть завжди видавати на виході 0, а восьмий може видавати або 0, або 1 у залежності від значення обраної лінії входу. Кожен вентиль І запускається визначеною комбінацією ліній керування. Схема мультиплексора показана на рис. 4.10. Якщо до цього додати джерело живлення і «землю», то мультиплексор можна запакувати в корпус з 14 виводами.

Використовуючи мультиплексор, можна реалізувати функцію більшості (див. рис. 4.3 а),як показано на рис. 4.11 б. Для кожної комбінації А, В і С вибирається одна з вхідних ліній. Кожен вхід з'єднується або з V_cc (логічна 1), або з «землею» (логічний 0). Алгоритм з'єднання входів дуже простий: вхідний сигнал D_i такий же, як значення в рядку i у таблиці істинності. На рис. 4.3 а в рядках 0, 1, 2 і 4 значення функції дорівнюють 0, тому відповідні входи заземлюються; у рядках, що залишилися, значення функції дорівнюють 1, тому відповідні входи з'єднуються з логічною 1. Таким чином можна реалізувати будь-яку таблицю істинності з трьома змінними, використовуючи мікросхему на рис. 4.11 а.

Отже, мультиплексор може використовуватися для вибору одного з декількох входів і може реалізувати таблицю істинності. Його також можна використовувати як перетворювач паралельного коду в послідовний. Якщо подати 8 бітів даних на лінії входу, а потім переключати лінії керування послідовно від 000 до 111 (двійкові числа), 8 бітів надійдуть на лінію виходу послідовно. Звичайно таке перетворення здійснюється при введенні інформації з клавіатури, оскільки кожне натискання клавіші визначає 7- або 8-бітне число, яке повинне передаватися послідовно по телефонній лінії.

Протилежністю мультиплексора є демультиплексор, що з'єднує єдиний вхідний сигнал з одним з 2ⁿ виходів у залежності від значень п ліній керування. Якщо бінарне значення ліній керування дорівнює k, то вибирається вихід k.

Декодери. Як другий приклад розглянемо схему, що одержує на вході п -бітне число і використовує його для того, щоб вибрати (тобто встановити на значення 1) одну з 2ⁿ вихідних ліній. Така схема називається декодером. Приклад декодера для п =3 показаний на рис. 4.12.

а) б)

Рис. 4.11 - Мультиплексор, побудований на СІС (а); той же мультиплексор, змонтований для обчислення функції більшості (б)

Щоб зрозуміти, навіщо потрібний декодер, представимо пам'ять, що складається з 8 мікросхем, кожна з яких містить 1 Мбайт. Мікросхема 0 має адреси від 0 до 1 Мбайт, мікросхема 1 – адреси від 1 Мбайт до 2 Мбайт і т.д. Три старших двійкових розряди адреси використовуються для вибору однієї з восьми мікросхем. На рис.4.12 ці три біти – три входи А, В і С. В залежності від вхідних сигналів рівно одна з восьми вихідних ліній (D₀,..., D₇) приймає значення 1; інші лінії приймають значення 0. Кожна вихідна лінія запускає одну з восьми мікросхем пам'яті. Оскільки тільки одна лінія приймає значення 1, запускається тільки одна мікросхема.

Принцип роботи схеми, зображеної на рис. 4.12 не складний. Кожен вентиль І має три входи, з яких перший або А, або , другий або В, або , а третій або С, або . Кожен вентиль запускається різною комбінацією входів: D₀ – сполученням , , , D_i – , , С і т. д.

Компаратори. Ще одна схема – компаратор. Компа-ратор порівнює два слова, що надходять на вхід. Компаратор, зображений на рис.4.13 приймає два вхідних сигнали, А і В, кожен довжиною 4 біти, і видає 1, якщо вони рівні, і 0, якщо

Рис. 4.12 - Схема декодера, що містить

Поиск по сайту: