Истемы (серии) логических элементов и их основные характеристики.
При построении КС устройств вычислительной техники используются различные логические элементы, которые должны согласоваться по входным и выходным сигналам, напряжению питания и т.д. Для этой цели логические элементы объединяют в серии.
Серией (системой, комплексом) логических элементов ЭВМ называется предназначенный для построения цифровых устройств функционально полный набор логических элементов, объединяемый общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами, использующий одинаковый способ представления информации, одинаковый тип межэлементных связей. Система элементов чаще всего избыточна по своему функциональному составу, что позволяет строить схемы более экономичные по количеству использованных элементов.
В состав серии входят элементы для выполнения логических операций, запоминающие элементы, элементы, реализующие функции узлов ЭВМ, а также специальные элементы для усиления, восстановления и формирования сигналов стандартной формы.
Конструктивно логические элементы представляют собой микроминиатюризированые интегральные электронные схемы (микросхемы), сформированные в кристалле кремния с помощью специальных технологических процессов.
В большинстве современных серий элементов имеются микросхемы малой степени интеграции (ИС до 100 элементов на кристалл), средней степени (СИС – до 1000 элементов на кристалл), большой степени интеграции (БИС – до 10000 элементов на кристалл) и сверхбольшой степени интеграции (СБИС – более 10000 элементов на кристалл). Логические элементы в виде ИС реализуют совокупность простых логических операций: И, ИЛИ, И-ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д. Логические элементы на СИС и БИС реализуют узлы ЭВМ, на СБИС – микроЭВМ.
Основными параметрами серии логических элементов являются:
– питающие напряжения и сигналы для представления логического 0 и логической 1;
– коэффициенты объединения по входу;
– нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу);
– помехоустойчивость;
– рассеиваемая мощность;
– быстродействие.
Серия элементов характеризуется количеством используемых питающих напряжений и их номинальными значениями. Обычно логическому 0 соответствует низкий уровень напряжения, а логической 1 – высокий. Для наиболее часто используемых серий напряжение питания составляет +5В, уровень логической единицы 2,4-5В, уровень логического 0 – 0-0,4В.
Коэффициент объединения по выходу (Коб) определяет максимально возможное число входов логического элемента, иными словами, функцию скольких переменных может реализовать этот элемент. Обычно Коб принимает значение от 2 до 4, реже Коб= 8. Увеличение числа входов связано с усложнением схемы элементов и приводит к ухудшению других параметров – помехоустойчивости, быстродействия и т.д.
Коэффициент разветвления по выходу (Краз) показывает на сколько логических входов может быть одновременно нагружен выход данного логического элемента. Обычно Краз для наиболее часто используемых серий равен 10. Иногда вместо Краз задается предельно допустимое значение выходного тока логического элемента в состоянии 0 или 1.
Помехоустойчивость – это способность элемента правильно функционировать при наличии помех. Она определяется максимально допустимым напряжением помехи, при котором не происходит сбоя в его работе. Обычно это напряжение порядка 0,6-0,9 В.
Быстродействие логических элементов является одним из важнейших параметров и характеризуется временем задержки распространения сигнала. Этот параметр существенно зависит от технологии изготовления микросхем и лежит в диапазоне от единиц до сотен наносекунд.
Наиболее часто употребляемые типы интегральных микросхем – это потенциальные элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - серии К555, К531, К1533 и т.д., транзисторной логики с эмиттерными связями (ЭСТЛ) – это серии К500, К1500, элементы на КМОП транзисторах - серии К176, К561, К564 и т.д.
При синтезе КС на реальных логических элементах необходимо обязательно учитывать ограничения на Коб и Краз.
1.4. СИНТЕЗ КС С УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЙ НА Краз
При построении КС может оказаться, что выход k - го логического элемента нагружен n > Краз входов других ЛЭ (рис.7а). Это означает, что k - й логический элемент перегружен и необходимо принять меры, устраняющие указанное явление. Существуют два способа обеспечения заданного Краз:
· использование дополнительных развязывающих усилителей;
· дублирование перегруженного элемента.
Схема с использованием дополнительных развязывающих усилителей представлена на рис.7.б. Количество p дополнительных усилителей, необходимых для обеспечения заданного Краз, определяется по формуле:
p > (n - Краз) / (Краз - 1)