книги из ГПНТБ / Евреинов Э.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды)

та,

состоящую

из

4—5

'прибо­

F-S

F-S

F-S

F-S

ров

(рис.

5-16). К а к

видно

из

рис. 5-16,

схема

получается

J)

В

простои

как по

числу

.компо­

F-S

F-S

нентов,

так

и по

топологии

ри­

сунка. Н а

рисунке

д л я просто­

F-S

F-S

F-S

F-S

ты

изображения

не

приведены

шины

настройки.

Л

Ъ

Функционально-соединитель­

F-S

ный элемент

фактически в этом

F-S

случае

становится

одинаковым

по

з а т р а т а м

с

элементом,

реа­

Рис.

5-15.

Структурная

лизующим

функции

И — Н Е

схема

ОС

из

элементов.

( И Л И — Н Е )

от

четырех

пере­

1+Е

менных.

Д а л ь н е й ш и м

шагом

в

на­

правлении

максимального

сов­

мещения

функций

в

элементе

ОС

является

использование

со­

единительных

« а н а л о в

'

с

за­

д е р ж к а м и .

В

рассмотренных

ранее

случаях

предполагалось,

что

передача

сигналов

через

•элемент при реализации соеди­

нительных

функций происходит

без

з а д е р ж к и ,

т.

е.

предпола ­

галась

р е а л и з а ц и я

принципа

мгновенного влияния. Мини­

мальный

полный

набор

авто­

Рис.

5-16.

Схема функцио

матных

и

соединительных

функций

содержит при этом не

налыю-соединительного

эле­

менее

четырех

функций.

Д л я

мента из триконов'-ннверто

реализации

этого

выбора

тре­

ров.

буется не менее трех

состояний

или

2

бит

настроечной

инфор­

лать в течение нескольких тактов работы.

Поэтому фактически автоматно-соединительный'

на­

бор

содержит

соединительную

функцию Р,

совмещенную

с автоматно полной

функцией,

включающую в себя

функ­

цию

задержки,, а т а к ж е

функцию 0. Объем

настроечной

информации

составляет

1 бит

информации .

В качестве примера ОС с

з а д е р ж к а м и

рассмотрим

ОС,

в которых реализуется принцип волновой

обработ­

ки

информации . И н ф о р м а ц и я

представляется

в

виде

потока сигналов,

распространяющегося по структуре

ОС. В элементе ОС

происходит

взаимодействие

потоков

щим

уравнением:

z ( / + x ) =

Sgn

S x ^ O +

y - ^

где

Sgn

(р) =

| д ^

Р <

О-

х — з а Д е Р Ж 1 < а ;

Xi

— входная

переменная;

z—выходная

переменная;

у — управляю ­

щ а я переменная; у—

порог;

у=2;

i=\,

2, 3,

4.

Период

рефрактерное™ выбирается

равным

Р,

где

2 т < ^ < ; 3 т .

После

появления

мгновенного

выходного

сигнала

z(t-\-x)

= 1 -наступает

период длительностью Р, во время

которого

независимо

от

значений

входных

переменных

Xi(t-\-Q)

выходное значение

z(i+x-\~Q)

= 0, где

0 < 9 ^ ^ .

Трикон

управляет

значением у п р а в л я ю щ е й перемен­

ной. В зависимости от

состояния

трикона у п р а в л я ю щ а я

переменная

принимает

значение 0

или 1.

Схема элемента

ОС

с за­

д е р ж к а м и

приведена

« а

рис. 5-17,

а

схема

ОС

с

за­

д е р ж к а м и

представлена

на

рис. 5-18.

Передача

инфор­

мации

по

некоторому

пути

(каналу)

в о з м о ж н а

лри

на­

стройке у=

1 элементов

пути

и г / = 0

д л я

элементов, сосед­

них с

элементами

пути. Д л я

отсутствия

взаимодействия

Рис. 5-17. Элемент ОС с за-

м е ж д у

п а р а л л е л ь н ы м и

кана­

держкой.

л а м и

диаметр канала,

т. е.

число

элементов,

располо­

щихся по з а д а н н ы м к а н а л а м . Легко видеть, что

при раз­

работке физического прибора, выполняющего

функцию

(ИС)

и в первую

очередь

И С

со

структурой

ме­

талл — диэлектрик

—

по­

лупроводник

( М Д П ) .

Интегральные

схемы

М Д П

имеют

ряд

таких

преимуществ

перед

бипо­

лярными

И С ,

'

которые

обусловливают

их

предпо­

чтение

д л я

реализации

Рис.

5-18. Структура ОС с за­

однородных

сред.

держками.

Эти преимущества

сле­

дующие:

1)

структуры

М Д П

обеспечивают

более

высокий уровень

интеграции,

вследствие чего

на

одной

и той

ж е п л о щ а д и

кристалла

можно создавать более сложные

схемы с большим числом

вследствие чего в М Д П

И С нет

ограничений

на коэффи­

циент разветвления по

входу

и выходу на

постоянном

чивость вследствие

высокого порогового н а п р я ж е н и я

МДП-тра'Нзистора;. !5)

более .низкая («а 1 —1,5 п о р я д к а )

ральных схем и более высокий процент выхода

годных

схем на М Д П структурах,

чем на

биполярных;

7)

воз­

можность

создания

ИС на

М Д П

структурах с

диэлек­

триком и з

нитрида

кремния, что

обеспечивает

сохране­

ние информации

при отключении питания и др.

Современное

состояние технологии изготовления

интег­

кристалле

размеры

(1—2) мм2

до 200

М Д П - т р а н з н с -

торов.

Н и ж е

рассмотрены варианты

логических схем эле­

ментов однородных

сред, с о д е р ж а щ и х

120—160 М Д П -

томатных

функций,

соединительных

функций

с за-

Т а б л и ц а 5-2

Триггеры

Ui

г/в

Vi

Уъ

Функции

0

0

Двухразрядный

регистр

сдвига

0

1

1

0

Проникновение

0

0

Одноразрядный

регистр

сдвига

t

0

'Ч*

1

Полный сумматор

1

1

0

F = х^ ~\- х2

х3 ~\- х 4

1

1

0

0

F = х, + х2

+ х 3 + х 4

1

1

0

1

F =

(х,

+

х2

•{• х3

-\- x.i)

xlx2x3xi

1

1

1

1

F =

х, +

х2

+

х3

+

х 4

+ XiX2x3x«,

0

1

1

1

F =

Х\Х2х3х4

функций

от

(не

более

чем) четырех

переменных:

1) полный последовательный с у м м а т о р ;

2)

двухраз­

рядный

регистр

сдвига

( з а д е р ж к а на

2

т а к т а ) ;

3) одно­

разрядный

регистр

сдвига

( з а д е р ж к а

на

1 т а к т ) ;

4) д и з ъ ю н к ц и я

( И Л И ) ;

5) операция Пирса

( И Л И — Н Е ) ;

6)

конъюнкция

( И ) ; 7) логическая

равнозначность;

8)

логическая

неравнозначность;

9)

проникновение

(крест без

точки или

соединительная

функция

типа D ) .

Д л я

реализации элемента

требуется

160 М Д П - т р а н -

зисторов

и 20 внешних выводов. Такой элемент

обладает

несколько

с л о ж е н и обеспечивает

малый

процент

выхо­

да годных

схем.

Очевидно, за счет исключения из элемента

некоторых

функций

можно

получить

более

простые

схемы,

содер­

ж а щ и е

меньшее

число

компонент

и внешних

выводов.

Так,

за

счет

исключения

трех

функций,

реализуемых

элементом,

получается упрощенная

ячейка, д л я

реализа ­

ции

которой

требуется

130 М Д П - т р а н з и с т о р о в

и 16

Функциональная

и

принципиальная схемы такого эле­

мента

показаны

на

рис.

5-20,а (и табл .

5-3)

и 5-20,6

со­

ответственно.

Т а б л и ц а

5-3

Триггеры

Уъ

Уа

У*

Функции

0

0

Регистр

0

1

1

Проникновение

0

1

0

1

0

Сумматор

1

1

0

Ч~ хг

-f- х3

-(- xt

1

1

1

^ Xi -\- хг

-)- х3

4- х 4

/

155

Схема реализует следующие шесть

функции:

1) полный последовательный

сумматор;

2)

однораз­

рядный регистр сдвига; 3) дизъюнкция

( И Л И ) ;

4)

ко­

нъюнкция ( И ) ;

5)

проникновение

(крест

без

точки

или

соединительная

функция

D ) ;

6)

операция

Пирса

( И Л И — Н Е ) .

Р а б о т а ячейки в однородной среде описывается

сле­

дующей системой уравнений:

г,

(0 =

г3 (*) =

{{х1у1

+ х3у3

+

/,)

\{х1у1

+

х3у3)

{XJJ„

+

+

х,у4)

+

fa] [у, 0

( а д , -|- х.2у„ +

Л'3Г/з +

л-,(/,)

X

X

( а д , + л-з^/з) (л-2у, +

ад.,)

/з • f4

+

М} (0;

(5-1)

za

(0 =

z., (г1) =

{(х.2у3

+ л-,г/., +

/,) [(л-.гд +

( а д ,

+

+

xj/t

+

h] [У7 ©

( а д . +

ад2

+ х3у3

+

ад)

( а д

+

+

ад3)

( а д + ад.,)

f3f., +

/,]} (0;

(5 -2 )

^ = 2 * , « - 1 > ;

(5-3)

х ^ г ^ ' - ' » ;

(5-4)

^ = г ; ' / + ,

) ;

(5-5)

л - ' 7 = 2 ( ( / + 1 ) ;

(5-6)

<

(/) =

[

й \ г

^

+

ЗДи]

(/ -

1),

(5-7)

где

£ =

1, 2,

3;

=

+ ^ ] ( ' - О.

(5-8)

где

/ =

4,

5,

6;

# W =

Q 4 + ^ " + ^ в [ ( а д + а д ) ( а д +

+ а д )

fa +

( а д + а д + а д + а д )

(у-,+(Щ

(* - 1 ) ;

(5-9)

/i=4fo+jre+jr7;

(5-10)

f2=ys+ije+yr,

(5-11)

/ з = М в ;

(5-12)

к=Уь\

(5-13)

и=у5уч,

(5-14)

где

t, / — координаты

элемента

в

среде;

х'^'

— сигнал

на

k-м

логическом

входе

элемента;

z'^' — с и г н а л

на й-м ло­

гическом

выходе

элемента;

у'^' —сигнал на выходе A-iо

триггера элемента;

да,, Vj — сигналы на горизонтальной

и вертикальной координатных

шинах

ОС; и — сигнал,

выбирающий

дл я записи группу

триггеров Тгу—Тг3 (при

« = 1 ) либо

7 г 4 — Т г п

(при м = 0);

Qk — сигнал установки

в 1 k-ro триггера

выбранного

элемента; Т — тактовый

сигнал, общий для всей ОС .

Уравнения (5-1) и (5-2) описывают

зависимость вы­

триггеров

Tai—Тг-\.

Уравнение

(5-7)

в ы р а ж а е т

зависимость

состояния

триггеров Тг\—Тге

от внешних сигналов

настройки

w,v,

и, Q.

Уравнения

(5-8)

и (5-9) в ы р а ж а ю т

зависимость со­

стояния

триггера

7г 7 от входных

сигналов, от

состояния

триггера

7г6 , от тактового сигнала

Г и от внешних

сиг­

налов настройки w, v, и, Q.

Уравнения

(5-10) — ( 5 - 1 4 ) — в с п о м о г а т е л ь н ы е

функ­

ции / ( — / 5

выходов

управляющих

триггеров

Тгъ—Тгт,

яние

элемента.

К а ж д а я

из вышеуказанных

шести

функ­

ций

реализуется

при соответствующих

состояниях

управ ­

л я ю щ и х триггеров

Тгь—Тг%

(уъ—уп).

(5-1) — (5-4),

В соответствии

с уравнениями

описы­

в а ю щ и м и работу элемента,

к а ж д а я

из шести функций

выполняется при следующих

состояниях

у п р а в л я ю щ и х

триггеров Тг5—Tzi

и их сигналов

уь—уч-

1. Элементы

реализуют

полный

последовательный

сумматор; при наличии

сигналов г/5 = 1 и г/б=0. Пр и этом

получаем: fi—fz=f3=h=l;

/s=0;

U=yr,

Zft (*) =

{ у , ф [ ( х , У | + ^ ! + х , 1 / 3

+ х,у4 ) X

X

(-к.У, +х3у3)(х2у„_+-х,у4)]}

(*);

(5-15)

1/7 (*) = 4 ( З Д +

*зг/з) {Х2У2+Х1уА)

+

+ (xiyi

+ х2уг

+ х3у3

+ Хф,) уп] {t— 1).

(5-16)

В ы р а ж е н и я

(5-15)

и

(5-16)

представляют

собой

выражение (5-Г6) с функцией

переноса двоичного сум­

матора

Я (t) = [*iJEZ +(X\ +

Xi.)TT\(t—1),

Н а п р и м е р,

при Уз = У4 = 0;

i/i = £/2 = 1

yi(t)

=[xix2+

(Xi+x2)y7](t-l).

Аналогично

при

yp

= yq = 0 выражени е

(5-15)

совпа­

дает

с функцией

суммы трех

слагаемых:

s(t) =

X

l

(t)®x.At)®n(t).

Например,

при уз = Уа = 0; r/i = г/2 = 1

z h

( о = { у , ©

к * , + х 3 ) ^ z i } (i)=[у,

ф л-, е

Хл]

t.

2. Элемент выполняет функции одноразрядного ре­

гистра

сдвига,

когда (/5=£/б=0- Пр и этом

получаем:

Ь = / 2 = /б = 0;

f3 = f4 = / 5 = 0 ;

zit(t)=yi(t)

= (xiyl

+ х2у2

+ х3уз+хкуО

(5-17)

3.

Реализуется

функция

дизъюнкции

и

операция

Пирса

при 1/5=1/6=1. При этом получаем:

h=h

= h=U

/ з = Г 5 = 0 ;

при

(/7 = 0 имеем:

2 л =

( х - ^ + л-гуг+х-зуз+АУ/,)

(0 ;

(5-19)

при

у-, = 1 имеем:

4. Реализуется логическая функция конъюнкции при

Уь=Ут = 0 и у в = 1 . При этом получаем:

f i = / 5 = l ;

f 2 = f 3 = f 4 = 0 ;

А (О = [ ^ i i / i + ^3y3 ) Сх2 У2+л:4 у4)](0-

(5-21)

только по взаимно

перпендикулярным

направлениям ,

т. е. удовлетворяется

условие

yiy3=0

и г/2 у4=0.

5. Реализуется

взаимное проникновение

сигналов, т. е.

соединительная функция типа D (крест без точки) при

условии #5 = 0 и г/б=У7=1. При этом

получаем:

А = / з = / 4 = 0;

/ W s = l ;

zi(l)

=z3(t)

=

(xiyi+хзуз)

(t);

(5-22)

z2(•*) =zt(t)

=

(хф+Хф)

(/) .

(5-23)