Этапы синтеза цифровых устройств

1.7 Этапы синтеза цифровых устройств. 1.Разработка алгоритма по заданной физической задаче. 2.Таблица истинности (таблица переходов). 3. Алгебраическое выражение в формах СДНФ или СКНФ. 4.Минимизация алгебраического выражения. 5.Преобразование в заданный логический базис. 6.Составление логической схемы цифрового устройства. 2.Комбинационные цифровые устройства. Определение Цифровые устройства, выходные сигналы которых определяются только комбинацией входных логических переменных в рассматриваемый момент времени и не зависят от того, какие значения они принимали ранее, называются комбинационными (КЦУ). Классификация КЦУ: - логические элементы; - кодеры и декодеры; - мультиплексоры и демультиплексоры; - комбинационные сумматоры; - цифровые компараторы 2.1 Основные параметры логических элементов. Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов через ЛЭ и определяется из графиков зависимости от времени входного и выходного сигналов. Различают время задержки распространения сигнала: при включении ЛЭ t1,0зд.р; при выключении ЛЭ t0,1зд.р ; среднее время задержки распространения ЛЭ t1,0зд.р ср. Средним временем задержки распространения сигнала называют интервал времени, равный полусумме времён задержки распространения сигнала при включении и выключении логического элемента: tзд.р ср = (t1,0зд.р + t0,1зд.р)/2 По средней задержке ИС делятся на; сверхбыстродействующие (tcp <5 нс); быстродействующие (tcp =5-10 нс); среднего быстродействия (tcp = 10-100 нс); низкого быстродействия (tcp >100 нс). Схемы ТТЛ-типа относятся к схемам среднего быстродействия. Для них типична средняя задержка 5-50 нс. Наибольшее быстродействие имеют транзисторные логические схемы с эмиттерными связями. Для них средняя задержка составляет 110 нс. Потребляемая мощность логических схем обычно зависит от того, какие сигналы поданы на входы этой ИС. Поэтому потребляемую мощность принято оценивать средней мощностью ( Р ср ), потребляемой типовым логическим элементом во включенном и выключенном состояниях. Как правило, чем выше быстродействие схем, тем больше средняя потребляемая ими мощность. Для схем ЭСЛ Рср составляет 20 - 80 мВт, для схем ТТЛ это 2-40 мВт, для КМОП 1-100 мкВт. В процессе переключения логических схем средняя потребляемая мощность выше средней статической мощности, вследствие всплесков тока в переходных режимах. Нагрузочная способность - характеризует способность логического элемента получить сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики используют: - коэффициент разветвления по выходу Краз. равен максимальному числу входов однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента, не вызывая при этом искажений формы и амплитуды его сигнала , выходящих за границы зон отображения уровней логического 0 и логической 1. - коэффициент объединения по входу Коб. равен максимальному числу выходов однотипных логических элементов, которые могут быть подключены по входу данного логического элемента, не вызывая при этом искажений формы и амплитуды его сигнала, выходящих за границы зон отображения уровней логического 0 и логической 1. Помехоустойчивость логического элемента определяется максимальной величиной помехи на входе, которая не переключает логический элемент из одного состояния в другое. Основные параметры серий ИМС. Серия Uпи U1вы U0вы Uпомех tзд.р.с Pпот Тип т, В х, В х, В и, В р, нс р, логики мВт ЭСЛ К1500 -4,5 -1,03 -1,61 0,1 1,4 16 К 500 -5,2 -0,98 -1,63 0,1 2,9 34 ТТЛ К 131 11 40 К 133 19 25 5 2,4 0,4 0,4 К 155 19 25 К 134 100 2 ТТЛШ К1531 3,8 4,1 К 531 5 16 5 2,7 0,5 0,5 К 1533 12 2,4 К 555 20 2,5 КМОП К 176 9 7,7 0,5 0,9 200 10-3 К 561 5 4,99 0,01 2,5 160 10-5 Увеличение нагрузочной способности. ТТЛ с открытым коллектором. Схема с открытым коллекторным выходом используется для подключения нестандартной нагрузки (светодиодов, реле, нагрузки с повышенным напряжением питания и т. д.). ТТЛ с тремя состояниями по выходу. дополнительный вход V — вход разрешения. При подаче на этот вход напряжения U0 транзистор VT5 открыт и насыщен, а транзисторы VT6 и VT7 закрыты и поэтому не влияют на работу логического элемента. В зависимости от комбинации сигналов на информационных входах на выходе ЛЭ может быть сигнал с уровнем «лог. 0» или «лог. 1». При подаче на вход V напряжения с уровнем «лог. 1» транзистор VT5 закрывается, а транзисторы VT6 и VT7 открываются, напряжение на базе транзистора VT3 уменьшается до уровня UБЭ.нас+Uд, транзисторы VT2, VT3, VT4 закрываются и ЛЭ переходит в высокоимпедансное (третье) состояние, то есть отключается от нагрузки. 2.2 Кодеры и декодеры. Кодеры (преобразователи кодов, кодопреобразователи) - это класс КЦУ предназначен для преобразования одного вида кода в другой. Например , логическая схема, которая преобразует унитарный код в двоичный код. Шифратором, или кодером называется комбинационное логическое устройство для преобразования чисел из десятичной системы счисления в двоичную. Входам шифратора последовательно присваиваются значения десятичных чисел. Подача активного логического сигнала на один из входов воспринимается шифратором как подача соответствующего десятичного числа. Этот сигнал преобразуется на выходе шифратора в двоичный код. Если шифратор имеет n выходов, число его входов должно быть не более чем 2n. Шифратор, имеющий 2n входов и n выходов, называется полным. Если число входов шифратора меньше 2n, он называется неполным. Основное применение шифратора в цифровых системах — это введение первичной информации с клавиатуры. Дешифратором, или декодером называется комбинационное логическое устройство для преобразования чисел из двоичной системы счисления в десятичную. Дешифратор выполняет операцию, обратную шифратору. Если число адресных входов дешифратора n связана с числом его выходов m соотношением m = 2n, то дешифратор называют полным. В противном случае, т.е. если m < 2n, дешифратор называют неполным. 2.3 Мультиплексор. (англ.Multiplexer– многократный) называют коммутатор сигналов с нескольких входов на один выход. Для коммутатора с четырех входов Хi на один выход Y выходной сигнал связан с входными соотношением . Это выражение показывает путь реализации мультиплексора на логических элементах. При наличии разрешения на входе Е (Е = 1) выход повторяет информацию того входа, код которого подан на адресные входыАиВ. ПриЕ = 0 коммутатор закрыт (Y = 0 независимо от сигналов на входахХi). Если цифровой код на адресных входах мультиплексора поочередно перебирает все комбинации двоичных переменных на адресных входах, состояние на выходе последовательно повторяет состояние всех его информационных входов (режим мультиплексирования данных). Микросхемы мультиплексоров отличаются по числу информационных и адресных входов, наличием или отсутствием входа разрешения, характером выходных сигналов (прямые, инверсные или парные). . Если мультиплексор имеет n адресных входов, то в нем может быть 2n информационных входов. Демультиплексор– коммутатор сигнала с одного входа на несколько выходов. Сигнал, подаваемый на вход Е, повторяется на том выходеYi, адрес которого подан на входы АиВ. ПриЕ=0 работа дешифратора запрещена (на всех выходах устройства лог. 0). 2.4 Цифровой компаратор Главным узлом микропроцессора служит арифметико-логическое устройство - АЛУ. Кроме АЛУ, в микропроцессор входят схемы проверки на четность, цифровые компараторы, схемы ускоренного переноса. Цифровые компараторы также относятся к арифметическим устройствам. В зависимости от схемного исполнения компараторы могут определять равенство АВ ( А и В-независимые числа с равным количеством разрядов) либо вид неравенства: АВ или АВ. Результат сравнения отображается соответствующим логическим уровнем на выходе. Микросхемы цифровые компараторы - выполняют, как правило, все эти операции и имеют три выхода. Цифровые компараторы широко применяются для выявления нужного числа ( слова) в потоке цифровой информации, для отметки времени в часовых приборах, для выполнения условных переходов в вычислительных устройствах. Цифровые компараторы(от лат. сотраrо — сравниваю) производят сравнение двух чисел с тем, чтобы выяснить, равны ли они или какое из них больше. Назначение: Цифровые компараторы позволяют в совокупности с мультиплексорами или демультиплексорами осуществлять условные логические операции: проверку арифметических условий реализует компаратор, а их исполнение — мультиплексор или демультиплексор. Компараторы служат для согласования логических уровней тестируемого устройства и анализатора. С выхода аналоговых компараторов биты слова поступают в цифровые компараторы, с помощью которых из потока данных выделяется требуемая для просмотра область. Условия просмотра задаются кодовыми комбинациями, предварительно введенными в цифровые компараторы. Эти комбинации представляют собой цифровые коды состояний, через которые проходит анализируемая программа. Они сопоставляются со словами, подаваемыми а - входы прибора. Различают два вида слов состояний, определяющих условия просмотра: состояния запуска и выборочные состояния. К первым относят слова, которые появляются на входах прибора в определенном порядке и задают траекторию ( трассу) потока данных. Вторые - это слова, выделяемые из потока данных ( вся остальная информация исключается как ненужная) и записываемые в ЗУ собранных данных. 2.5 Многоразрядный сумматор. Все сумматоры делятся: - на сумматоры комбинационного типа; - на сумматоры накапливающего типа. По выполнению операции переноса в старший разряд все сумматоры делятся: - на сумматоры с последовательным переносом; - на сумматоры с параллельным переносом. Комбинационный многоразрядный сумматор с последовательным переносом. Состоит из одноразрядных сумматоров. б) УГО 4-х разрядного сумматора. Одноразрядный комбинационный сумматор. Таблица истинности одноразрядного сумматора. Одноразрядный сумматор строится на базе полусумматоров. Полусумматор это логическая схема, которая вырабатывает сигналы суммы (S) и переноса (Р) при сложении двух двоичных чисел а и в. Логическая схема «сложение по М2», «исключающая или» или схема «неравнозначности». 2.6 Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - центральная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции. АЛУ реализует важную часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление,...). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ,...). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги. 3.Последовательностные цифровые устройства. Последовательностное цифровое устройство (ПЦУ) - это когда выходные сигналы зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени.