книги из ГПНТБ / Потемкин, И. С. Построение функциональных узлов на потенциальных системах элементов учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра вычислительной техники

И. С. ПОТЕМКИН

Утверждено Учебио-методическим

управлением МЭИ в качестве учебного пособия

для студентов

ПОСТРОЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ НА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕМЕНТОВ

Редактор Г. М. КОЛЬНЕР.

1

? Гос. публичная

няу‘:ио-та:<;: г-*.;нйЛ

I б>г^лг.лг'. :: ^ССР

t ЧИТАЛЬНОГО ЭЛЛА

P C ' f o ' - g y g j ,

АННОТАЦИЯ

В книге рассмотрены особенности интегральных микро­ схем потенциального типа, проявляющиеся при построении на их основе логических схем. Описаны способы построения наиболее распространенных функциональных узлов на эле­ ментах потенциального типа. В этом плане рассмотрены триггеры, сдвигатели, коммутаторы, схемы приоритета, де­ шифраторы, шифраторы, счетчики, распределители импуль­ сов, схемы свертки по модулю 2 и 3, схемы привязки асин­ хронных сигналов к тактовой сетке, а также некоторые воп­ росы объединения узлов в единую синхронизированную си­ стему.

Книга является учебным пособием и пособием по курсо­ вому и дипломному проектированию по курсам <•Элементы и узлы ЦВМ» и «Цифровые вычислительные машины» для сту­ дентов факультета АВТФ. Ее могут также использовать сту­ денты РТФ при изучении блоков цифровой аппаратуры.

%

Г л а в а 1

ОСОБЕННОСТИ ЛОГИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТИПА

1-1. Потенциальные системы элементов

Сигналы, применяемые в вычислительной технике, делят­ ся на импульсные и потенциальные. Уровень напряжения импульсного сигнала изменяется за один машинный такт дважды от нулевого до номинального и обратно. 1 или О кодируются наличием или отсутствием импульса. Импульс по длительности формируется выходными цепями самого импульсного логического элемента, причем длительность им­ пульса оговорена в технической документации на элемент. Потенциальный сигнал изменяется не более 1 раза за 1 ма­ шинный такт. 1 или 0 кодируются соответствующими уров­ нями напряжения. Уровни напряжения, отображающие вход­ ные переменные, поступают на входы потенциального логи­ ческого элемента, и в соответствии с его логической функ­ цией элемент отрабатывает на выходе единичный или нуле­ вой уровень. Уровень напряжения на выходе держится не­ изменным столько времени, сколько держится на входе со­ ответствующая ему комбинация входных сигналов.

Различный способ задания длительности сигналов обуслов­ ливает ряд особенностей при проектировании логических схем. Конфигурация многих схем на потенциальных эле­ ментах заметно отличается от конфигурации схем на повсе­ местно применявшихся ранее импульсно-потенциальных эле­ ментах, использовавших сигналы и потенциального и им­ пульсного типов.

Подавляющее большинство логических элементов, полу­ ченных методами интегральной технологии, относится к клас­ су потенциальных элементов. Логические схемы, построенные на их основе, используют только потенциальные сигналы и совсем не используют сигналов импульсного типа.

5

1-2. Логические возможности элементов

Параметры системы элементов и рекомендации по пост­ роению логических схем на них приводятся в двух основных документах — « Технических условиях на элементы (ТУ)» и «Руководящем техническом материале (РТМ)». Мы не будем рассматривать конструктивные параметры элементов, их ус­ тойчивость к механическим, климатическим воздействиям и т. д. Рассмотрим лишь те параметры, которые важны при синтезе функциональных схем, выполняющих заданные логи­ ческие операции при ограничениях по времени и количеству оборудования. С этой точки зрения следует обратить внима­ ние на следующие параметры заданной системы элементов: 1) набор логических функций и объем оборудования каждого логического элемента: 2) число входов по И элементов И—НЕ; 3) число входов по ИЛИ в элементах И—ИЛИ—НЕ, 4) нагрузочную способность элементов, 5) динамические па­ раметры элементов.

1. Набор логических функций в большинстве систем со­ стоит из функций И—НЕ и И—ИЛИ—НЕ с различным чис­ лом входов по И и по ИЛИ. Набор ИЛИ—НЕ, как будет показано ниже, легко сводится к набору И—НЕ, набор ИЛИ—И—НЕ — к набору И—ИЛИ—НЕ.

2. Число входов по И элементов И—НЕ, И—ИЛИ—НЕ будем обозначать М. Оно, как правило, лежит в пределах 3-М6. Различные величины М получают или включая в систе­ му различные модификации схем И—НЕ, или за счет под­ ключения к основным элементам «расширителей по И » — элементов, не имеющих самостоятельного выхода на уровне номинальных сигналов системы и служащих для увеличения М основных элементов (рис. 1). Обычно с увеличением М растет время переключения элемента, и это оговаривается в РТМ.

Каждый вход и выход элемента И—НЕ занимает вывод корпуса микросхемы, а наборы логических схем в корпусе обычно составляются так, чтобы использовать по возмож­ ности все выводы корпуса. Следовательно, сумма входов и выходов всех элементов логической схемы, построенной на И—НЕ, будучи пропорциональной числу всех выводов, ис­ пользованных корпусов в некотором масштабе, отражает объем оборудования логической схемы Q, чем удобно поль­ зоваться для сравнения различных вариантов логических

6

схем. В дальнейшем величину Q мы будем измерять числом выводов корпусов.

Может случиться, что в логической схеме, построенной на реальной системе элементов, часть входов по И будет не ис­ пользована. РТМ многих систем запрещает оставлять входы

расширителем И для расширения по И. Подключение однопровод­ ное

никуда не подключенными. В этом случае можно поступить двояко:

1) объединить неиспользованные входы с некоторыми из использованных. Так можно сделать, если: а) у элемента, работающего на данный, еще остался запас по нагрузочной способности и б) можно проигнорировать вызванное этим актом некоторое увеличение времени срабатывания источни­ ка сигнала. В противном случае придется применить второй способ;

2) подключить неиспользуемые входы к источнику напря­ жения, имеющему уровень логической «1». Это никак не по­ влияет на реализацию функции И по другим входам (срав­ ните с подключением этого входа к 0).

Взависимости от того, что разрешает РТМ и что удобнее

вкачестве источника 1, можно использовать напряжение пи­ тания, специальный делитель напряжения, элемент И—НЕ, вход которого подключен к нулевому уровню (заземлен).

3. Число входов по ИЛИ в элементах И—ИЛИ—НЕ обоз­ начим L. Обычно L— 1 н-16. В различных системах элементов изменение величины L получается за счет: а) применения не­ скольких модификаций элементов, б) путем подключения рас-

7

ширителей по ИЛИ. При этом разные расширители могут иметь разное число входов по И (рис. 2,6); в) использованием <гмонтажного ИЛИ». На рис. 2,в показан элемент И—НЕ с «открытым коллектором». Так называют элемент, коллектор­ ный резистор которого не входит в состав самого элемента, а подключается внешним монтажом. Если выходы несколь­ ких таких элементов объединить и подключить к общему коллекторному резистору, получившийся новый сложный эле­ мент будет реализовывать для входных переменных функцию И—ИЛИ—НЕ (рис. 2,г), причем L равно числу объединен­ ных таким образом элементов И—НЕ. Это и будем называть «монтажное ИЛИ», хотя в некоторых системах элементов такое соединение удобнее трактовать как «монтажное И». То, что обе трактовки правомерны, станет ясно после прочтения раздела 1-5. Чтобы отобразить такой способ получения ИЛИ, на функциональных схемах вводят псевдоэлемепт монтаж­ ной логики, выделяя его значком О . На рис. 2,д для реали­ зации И—ИЛИ—НЕ введен псевдоэлемент ИЛИ—НЕ с ин­ версными входами (помечены кружочками), поскольку к вхо­ ду псевдоэлемента подключены не просто элементы И, а эле­ менты И—НЕ. Таким образом, схема рис. 2,д реализует функцию

Y— Х\Х%V XgXi V XgXgXy—X1X2V Х3Х4v XgXgX-j,.

Отметим, что не во всех системах элементов РТМ разре­ шает применять монтажное ИЛИ, а в системах, где выход­ ной сигнал снимается с общей точки двух последовательно соединенных транзисторов, включенных между шиной пита­ ния и землей, объединение выходов двух элементов вообще недопустимо: если сочетание входных сигналов таково, что на выходах, объединенных элементов должны быть различные уровни (на одном 0, на другом 1) то произойдет короткое за­ мыкание источника питания на землю через открытые выход­ ные транзисторы одного и второго элементов.

С ростом L обычно увеличивается время срабатывания элемента И—ИЛИ—НЕ. Оборудование элемента И—ИЛИ— НЕ (число выводов корпуса) зависит от М, L и способа по­ лучения дизъюнкции. В некоторых системах можно каждую единицу L отождествить с одним выводом корпуса. Если это дает слишком большую ошибку, можно, изучив РТМ, най­ ти другую подходящую и достаточно простую оценку обору­ дования схем И—ИЛИ—НЕ.

9