Цифровые автоматы с жесткой и гибкой логикой

Общая структурная схема ЦА

Выше были рассмотрены варианты схемы ЦА с канонической структурой без учета особенностей элементной базы и возможностей изменения выполняемых функций.

Структурная схема автомата в общем случае определяется совокупностью реализуемых функций. Вместе с тем между реализуемыми функциями и структурной схемой не существует взаимно однозначного соответствия: один и тот же набор функций может быть реализован различными совокупностями функциональных элементов (ФЭ), объединенных в ЦА. Эти элементы соответствуют совокупности операций алгоритма реализации заданных функций.

Рис.1.5

Общая структура ЦА с входами Х₁, ...,Х_m, выходами Z₁, ...,Z_n и совокупностью ФЭ₄, ...,ФЭ_L показана на рис. 1.5.

У каждого ФЭ_i=(i= ) входы Х_i^э связаны с одним или несколькими входами Х₁, ...,Х_m устройства или выходами Z₁^э, ...,Z_L^э других элементов посредством схемы связей. Выходы Z_i^э элемента связаны со входами одного или нескольких функциональных элементов или выходами Z₁, ...,Z_n устройства. Элемент ФЭ_i выполняет операцию F_i^э из множества

F={F₁,F₂, ...,F_k}; Z_i^э=F_i^э(X_i^э).

Множества операций F может, например, включать набор арифметических операций: сложение, вычитание, умножение и деление двух кодов, составляющих Х_i^э.

Таким образом, наборы входных сигналов (выходные коды) Х₁, ..., Х_m, проходя через последовательность функциональных элементов ФЭ₁, ..., ФЭ_L преобразуются в набор выходных сигналов ЦА Z₁, ...,Z_n.

Каждый функциональный элемент может иметь сложную структуру из более простых элементов и т.д. В реальных, даже самых сложных цифровых устройствах и системах число уровней разбиения не превышает 6-8.

Простейшими функциональными элементами являются логические вентили, выполняющие элементарные функции, и элементы памяти (ЭП), предназначенные для хранения значений сигналов.

На нижнем уровне структурного разбиения ЦА представляется структурной схемой, включающей набор элементов из используемой элементной базы.

Элементная база ЦА

Элементы ЦА могут быть оптическими, магнитными, электромагнитными (контактными), электронными (бесконтактными) и др. В настоящее время наиболее широкое распространение получили электронные полупроводниковые элементы в интегральном исполнении - цифровые интегральные схемы (ИС). Они представляют собой набор базовых элементов - вентилей, объединенных соединительными проводниками на полупроводниковом кристалле, который размещается в одном из стандартных корпусов.

Электронные полупроводниковые элементы, выполненные в виде ИС, обладают такими преимуществами, как малые размеры и потребляемая мощность, повышенная надежность, удобство и высокая плотность монтажа. Высокая технологичность позволяет выпускать ИС большими сериями, что обуславливает их сравнительно малую стоимость.

ИС обладают рядом особенностей.

1. По мере совершенствования технологии изготовления уменьшаются линейные размеры компонентов вентилей (транзисторов, диодов и др.) и ширина соединительных проводников. Современной микроэлектроникой достигнуты линейные размеры компонентов 1-3 мкм, что позволяет на кристалле площадью 20-30 мм² размещать до 10 компонентов (до 10⁵ вентилей). Число вентилей N на кристалле определяет степень интеграции ИС. Уменьшение линейных размеров компонентов в 4 раза приводит к увеличению степени интеграции в 10 раз, а быстродействия - в 4 раза, потребляемая же каждым вентилем мощность уменьшается при этом в 16 раз. Ежегодно степень интеграции ИС увеличивается в 2 раза, быстродействие в 1,5 раза, в то время как стоимость, надежность и потребляемая мощность изменяется значительно медленнее. Следовательно, увеличение степени интеграции ИС является эффективным способом улучшения весогабаритных параметров, экономичности и надежности ЦА на их основе.

В будущем на кристалле СБИС ожидается размещение до 10¹⁰ компонентов.

По степени интеграции ИС делятся на:

- ИС малой степени интеграции (МИС) с N<10;

- ИС средней степени интеграции (СИС) с 10£N<100;

- ИС большой степени интеграции (БИС) с 100£N<100;

- ИС сверхбольшой степени интеграции (СБИС) с N>1000.

2. Стандартные корпуса ИС малогабаритные и имеют по 14,16,18,24,28,40,42,48 или 64 вывода. Корпуса с большим числом выводов в настоящее время получили для ИС, используемых в специальных устройствах. Существующее ограничение на число входов и выходов БИС затрудняет доступ к внутренним элементам и определенным образом влияет на выбор структуры БИС и СБИС.

3. Соединительные проводники сложной схемы связей элементов занимают на кристалле значительную площадь и снижают степень интеграции ИС. Наибольшей степенью интеграции обладают БИС и СБИС с регулярной матричной схемой связей.

4. Стоимость проектирования БИС и СБИС очень велика, поэтому производство единичных заказных ИС оправдывается в исключительных случаях. Экономически целесообразен лишь массовый выпуск ИС, обеспечивающий их малую стоимость. По этой причине номенклатура ИС ограничена. Микроэлектронной промышленностью выпускается ряд серий ИС, каждая из которых включает от единиц до нескольких десятков ИС различной степени интеграции, выполненных по единой технологии (р-МОП, п-МОП, КМОП, ТТЛ, ЭСЛ, И²Л и др.) и совместимых между собой. Элементная база ЦА, как правило, состоит из ИС одной серии.

5. Введение элементов настройки резко расширяет функциональные возможности ИС. Такие ИС настраиваются на выполнение требуемых функций:

а) на последней стадии изготовления (полузаказные ИС);

б) однократно после изготовления ИС;

в) многократно после изготовления ИС.

Использование программируемых ИС позволяет разрешить противоречие между ограниченной номенклатурой ИС и необходимостью реализации с их помощью самых разнообразных функций.

6. Устойчивость ИС к воздействию внешних факторов (температуры, влажности, электрических и магнитных полей) достаточно высока. Это позволяет строить на их основе ЦА, предназначенные для использования в самых различных условиях эксплуатации.

В недавнем прошлом 10⁵¸10⁶ элементов являлись пределом возможностей технической реализации цифровых устройств и систем. В настоящее время эти элементы могут быть размещены в одной СБИС на кристалле площадью около 1см².

С точки зрения удобства наладки, надежности и психологической обозримости цифровая система могла бы содержать 200¸400 тис. БИС или квадратных сантиметров площади кристаллов.