Оптимизация логических схем. Два подхода

1) Реализация функций с помощью однотипных микросхем.

или-не

и-не

Схемы из крупных блоков часто бывают более простыми. Недостаток - избыточность аппаратной части.

2) Программируемые логические матрицы.

Универсальные логические блоки. Мультиплексор.

Универсальные логические блокиявляются шаблоном, их можно настроить под конкретные задачи.

Mультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передавать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов.

Аналоговые и цифровые мультиплексоры значительно различаются по принципу работы. Первые электрически соединяют выбранный вход с выходом (при этом сопротивление между ними невелико — порядка единиц/десятков ом). Вторые же не образуют прямого электрического соединения между выбранным входом и выходом, а лишь «копируют» на выход логический уровень ('0' или '1') с выбранного входа. Аналоговые мультиплексоры иногда называют ключами или коммутаторами.

Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных выходов и числом адресных входов действует соотношение , то такой мультиплексор называют полным. Если , то мультиплексор называют неполным.

Обобщённая схема мультиплексора

Входные логические сигналы X_i поступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы подаются адресные сигналы A_k (от англ. Address). Мультиплексор также может иметь дополнительный управляющий вход E (отангл. Enable), который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход Y.

Кроме этого, некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя состояниями: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние — отключённый выход (высокоимпедансное состояние, Z-состояние — выходное сопротивление равно бесконечности). Перевод мультиплексора в третье состояние производится снятием управляющего сигнала OE (от англ. Output Enable).

Универсальные логические блоки. ПЛМ.

Универсальные логические блокиявляются шаблоном, их можно настроить под конкретные задачи.

Структура ПЛМ

ПЛМ представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технологии и предназначенных для реализации логических функций цифровых систем.

Использование ПЛМ объясняется рядом причин:

- в связи с уважением программного обеспечения наметилась тенденция выполнять многие функции современных ЭВМ аппаратным способом;

- в интегральной технологии созданы новые схемотехнические решения, благодаря которым резко увеличивалась информационная ёмкость ПЛМ;

- созданы методы автоматизированного проектирования ПЛМ с использованием ЭВМ;

- значительно расширилась область использования ПЛМ в устройстве различного назначения;

ПЛМ подразделяются на два типа в зависимости от внутренней организации:

1. ПЛМ комбинационной логики

2. ПЛМ с памятью.

ПЛМ комбинационной логики состоит из двух матриц М₁ иМ₂ (рис. а)

Первая матрица формирует q термов, зависящих от S переменных. Вторая матрица формирует t дизъюнкций от терминов, полученных в матрице М₁. ПЛМ комбинационной логики определяется параметрами (s, t, g). Любая система булевых функций от переменных , дизъюнктивная нормальная форма которых содержит Н терминов может быть реализована на одной ПЛМ. Условное обозначение ПЛМ приведено на рис. b.

ПЛМ с памятью содержат регистр RF, содержащий r разрядов (рис. а) в цепи обратной связи между матрицами М₁ иМ₂ число r элементов памяти выбирается так, чтобы удовлетворялось неравенство . ПЛМ с памятью характеризуется параметрами (s, t, q ,r) Любой управляющий автомат с входными, выходными переменными (микрооперациями и числами переходов может быть тривиальным образом реализован на одном ПЛМ.

Программирование ПЛМ

В зависимости от способа программирования, т. е. от способа организации межсоединений шин в матрицах, различают два типа ПЛМ:

1. ПЛМ программируемые в процессе изготовления. В ПЛМ этого типа межсоединений шин в матрицах осуществляется на последнем этапе процесса изготовления с помощью маски и в дальнейшем изменены быть не могут. Такой способ называется масочным программированием.

2. ПЛМ, программируемые пользователем. ПЛМ этого типа поставляются потребителю незапрограммированными. Программирование осуществляется электрическим способом при помощи специального оборудования (программатора и т. п.) Наибольшее распространение получил способ программирования, основанный на устранении ненужных межсоединений шин в матрицах, путём пережигания перемычек под действием тока повышенной амплитуды. Кроме того, существуют ПЛМ, программирование которых основано на пробое перехода транзисторов.

3. Репрограммируемые ПЛМ.

Такие ПЛМ позволяют осуществлять программирование неоднократно. Повторное программирование выполняется электрическим способом после стирания содержимого ПЛМ под действием ультрафиолетового (иногда рентгеновского) облучения электрическим способом отдельно для каждого межсоединения шин в матрицах.

Рисунок из лекций: