Характеристики комбинационных схем

1.2. Характеристики комбинационных схем.

Сложность схемы оценивается количеством оборудования, составляющего схему. При разработке схем на основе конкретной элементной базы количество оборудования обычно измеряется числом корпусов (модулей) интегральных микросхем, используемых в схеме. В теоретических разработках ориентируются на произвольную элементную базу и поэтому для оценки затрат оборудования используется оценка сложности схем по Квайну.

Сложность (цена) по Квайну определяется суммарным числом входов логических элементов в составе схемы.

При такой оценке единица сложности – один вход логического элемента. Цена инверсного входа обычно принимается равной двум. Такой подход к оценке сложности оправдан по следующим причинам:

-    сложность схемы легко вычисляется по булевым функциям, на основе которых строится схема: для ДНФ сложность схемы равна сумме количества букв,(букве со знаком отрицания соответствует цена 2), и количества знаков дизъюнкции, увеличенного на 1 для каждого дизъюнктивного выражения.

-    все классические методы минимизации булевых функций обеспечивают минимальность схемы именно в смысле цены по Квайну.

Практика показывает, что схема с минимальной ценой по Квайну обычно реализуется наименьшим числом конструктивных элементов – корпусов интегральных микросхем.

Быстродействие комбинационной схемы оценивается максимальной задержкой сигнала при прохождении его от входа схемы к выходу, т.е. определяется промежутком времени от момента поступления входных сигналов до момента установления соответствующих значений выходных. Задержка сигнала кратна числу элементов, через которые проходит сигнал от входа к выходу схемы. Поэтому быстродействие схемы характеризуется значением rt, где t - задержка сигнала на одном элементе. Значение r определяется количеством уровней комбинационной схемы, которое рассчитывается следующим образом. Входам КС приписывается уровень нулевой. Логические элементы, связанные только со входами схемы относятся к уровню ПЕРВОМУ. Элемент относится к уровню k, если он связан по входам с элементами уровней k-1, k-2, и т.д. Максимальный уровень элементов r определяет количество уровней КС, называемое рангом схемы. Пример определения ранга r схемы приведён на рисунке 6.

Как известно, любая булева функция может быть представлена в ДНФ, которой соответствует двухуровневая комбинационная схема. Следовательно, быстродействие любой КС в принципе можно довести до 2t.

Минимизация булевой функции с целью уменьшения сложности схем обычно приводит к необходимости представления функций в скобочной форме, которой соответствуют схемы с r>2. Т.е., уменьшение затрат оборудования в общем случае приводит к снижению быстродействия схем.

1.3. Системы (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 микроминиатюризованные 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 входу (К_об) определяет максимально возможное число входов логического элемента, иными словами, функцию скольких переменных может реализовать этот элемент. Обычно К_об принимает значение от 2 до 4, реже К_об=8. Увеличение числа входов связано с усложнением схемы элементов и приводит к ухудшению других параметров – помехоустойчивости, быстродействия и т.д.

Коэффициент разветвления по выходу (К_раз) показывает на сколько логических входов может быть одновременно нагружен выход данного логического элемента. Обычно К_раз для наиболее часто используемых серий равен 10. Иногда вместо К_раз 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 К155, 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 К_об и К_раз.

1.4. СИНТЕЗ КС С УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЙ НА .

При построении КС может оказаться, что выход k - го логического элемента нагружен  входов других ЛЭ (рис.7а). Это означает, что k - тый логический элемент перегружен и необходимо принять меры, устраняющие указанное явление. Существуют два способа обеспечения заданного:

·    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 , определяется по формуле:

 Недостаток рассматриваемого способа в том, что в цепь распространения сигнала вносится дополнительная задержка, что не всегда допустимо.

Схема с использованием дублирования перегружаемого элемента представлена на рис.7.в. Количество p дополнительных элементов, выполняющих ту же функцию, что и К-тый элемент, определяется по формуле:

При таком способе обеспечения дополнительная задержка не вносится, но увеличивается нагрузка на элементы, формирующие сигналы  и , что может привести к перегрузке этих элементов и введению дополнительных элементов для обеспечения заданного Краз.

1.5. СИНТЕЗ КС С УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЯ НА .

Представлению функции в виде ДНФ соответствует двухуровневая КС (если считать, что на ее вход могут поступать как прямые так и инверсные входные сигналы), на первом уровне которой элементы И , а их выходы объединяются на втором уровне элементом ИЛИ . Такое построение КС обеспечивает ее максимальное быстродействие, так как ранг схемы минимален. Однако, не всегда возможно на первом уровне и, особенно, на втором выбрать логические элементы с требуемым, т.к. может оказаться, что ЛЭ с таким не выпускаются промышленностью. В этом случае необходимо с помощью нескольких элементов с меньшим получить эквивалент с большим  либо, что предпочтительней, преобразовать БФ, перейдя от ДНФ к скобочной форме. Этот переход сопровождается уменьшением логических элементов, требуемого для построения схемы. Осуществить такой переход можно с помощью факторного алгоритма, суть которого рассмотрим на примере.

Пусть задана некоторая булева функция в виде

Для реализации этой функции по приведенному выражению необходимо использовать 3 логических элемента 4И, один логический элемент 5И, один логический элемент 4ИЛИ.

С помощью факторного алгоритма получим скобочную форму для заданной функции. Для этого обозначим все конъюнкции буквами:

и будем рассматривать их как некоторые множества. Находим попарные пересечения множеств:

, , , , , .

Полученные пересечения показывают общие части отдельных конъюнкций. Выбираем пересечение, которое имеет наибольшую длину (если такое отсутствует, то выбирают то, которое чаще всего встречается). В данном случае это . Поэтому из конъюнкций А и В выносим общую часть. Тогда имеем:

.

Обозначим F = и находим пересечения:

, , .

Следовательно, для исходной функции имеем:

.

Обозначим ,

Пересечение. Следовательно, окончательно имеем:

Для реализации функции по последнему выражению необходимо 5 элементов 2И, 1 элемент 3И, 3 элемента 2ИЛИ ( рис.8 ).

Как видно из полученной схемы для ее реализации необходимы элементы с  = 2 или 3 (в отличие от исходной с  = 4 или 5). Однако ранг схемы увеличился до 7, что приводит к увеличению задержки срабатывания схемы.