Перечень условных обозначений

БИС	большая интегральная схема
БФ	булева функция
ГСА	граф-схема алгоритма
ИС	Интегральная схема
КС	комбинационная схема
МПА	микропрограммный автомат
ПЗУ	программируемые запоминающие устройства
ПЛИС	программируемые логические интегральные схемы
ПЛМ	программируемые логические матрицы
ПЛУ	программируемые логические устройства
ПСТ	прямая структурная таблица
РП	регистр памяти
СБФ	система булевых функций
СС	схема сравнения
УА	управляющие автоматы
ЭВМ	электронная вычислительная машина

Введение

Целью лабораторных работ по курсу «Компьютерная схемотехника» является приобретение студентами практических навыков решения схемотехнических задач, связанных с изучением, проектированием и применением цифровых элементов, узлов и устройств, микросхемы которых являются основой для реализации различных средств обработки цифровой информации. Данные методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Компьютерный эколого-экономический мониторинг».

Компьютерная схемотехника – дисциплина, изучающая методы анализа, синтеза и способы технической реализации схем электронных вычислительных машин (ЭВМ) и их компонентов. Изучение компьютерной схемотехники является основой совершенствования архитектуры ЭВМ, повышения качества реализации компонентов, увеличения быстродействия и наращивания функциональности.

ЭВМ  выполняют  арифметические  и  логические  операции,  при  этом  используются  числа  и  логические  переменные. Числа  несут  информацию  о  количественных  характеристиках  системы;  над  ними  производятся  арифметические  действия. Логические  переменные  определяют  состояние  системы  или  принадлежность  её  к  определённому  классу  состояний  (коммутация  каналов,  управление  работой  ЭВМ  по  программе  и  т. п.).

Логические  переменные  могут  принимать  только  два  значения:  «истина»  и  «ложь».  В  устройствах  цифровой  обработки  информации  этим  двум  значениям  переменных  ставится  в  соответствие  два  уровня  напряжения:  высокий (логическая  «1»)  и  низкий (логический  «0»). 

Элементы, осуществляющие  простейшие  операции  над   двоичными  сигналами,  называют  логическими.  На  основе  логических  элементов  разрабатываются  устройства,  выполняющие  как  арифметические, так и  логические  операции. Рассмотрению способов синтез цифровых устройств и посвящены предлагаемые лабораторные работы.

Лабораторная работа №1 «Синтез комбинационных схем»

1.1. Основные сведения

Стандартные серийные микросхемы нередко состоят из логических элементов только одного типа. Например, микросхема серии К155ЛА3 содержит в корпусе 4 логических элемента «2И-НЕ», а микросхема серии К155ЛП5 содержит 4 двухвходовых логических элемента «Исключающее ИЛИ», и т.п. В связи с этим возникает задача реализации булевой функции (БФ) в базисе с ограничениями. Это означает, что логическая схема для реализации заданной функции может быть построена на элементах только указанных типов.

Для преобразования исходной БФ к заданному базису используется методика, в основе которой лежит применение законов Де-Моргана. Методика преобразования состоит из двух основных пунктов:

1. Замена в исходном выражении исходных функций на заданную базисную («И»«ИЛИ», «ИЛИ»«И»). На этом шаге устанавливается функциональное соответствие формулы заданному базису.

2. Группировка термов и/или переменных в термах соответственно числу входов базисного элемента. На этом шаге необходимо сгруппировать переменные в термах, а также сами термы, таким образом, чтобы число аргументов в каждом произведении (или сумме) было не больше числа входов базисного элемента.

Группировка реализуется путем заключения в скобки (скобки обозначают приоритетное выполнение). Так как каждая инверсия в формуле реализуется в схеме одним элементом, то чтобы реализовать скобки, то есть обеспечить приоритет, и при этом сохранить тождество, необходимо над фрагментом, взятым в скобки, поставить двойную инверсию. В логической схеме двойная инверсия реализуется последовательностью из двух элементов.

Каждая комбинационная логическая схема имеет ряд параметров, которые ее характеризуют:

1. Число элементов в схеме N (без учета инверсий входных сигналов) равно числу инверсий в полученной формуле.

2. Число уровней схемы L равно числу «слоев» инверсий в формуле.

3. Общее время задержки схемы определяется: τ_сх = L * τ_эл-та.. Примем расчетное приближенное время задержки одного элемента τ_эл-та = 10 нс.

4. Цена схемы по Квайну K определяется суммарным числом входов всех элементов схемы. Вычисляется путем умножения число входов базисного элемента на общее количество элементов.