3. Цифровые функциональные узлы комбинационного типа
Комбинационными устройствами (КУ) называются устройства, состояния выходов которых однозначно определяется состоянием входов в настоящий момент времени (машинного времени).
3.1 Этапы схемотехнического проектирования
Важнейшей задачей, решаемой с помощью методов и средств микро- схемотехники, является схемотехническая разработка новых типов интегральных микросхем в том числе и схем комбинационных устройств. Исходное техническое задание на проектирование микросхемы содержит описание функций, которые она должна выполнять в электронной аппаратуре, и требований к ее основным параметрам.
Рис. 3.1. Алгоритм проектирования цифровых БИС.
3.2 Синтез комбинационных устройств
3.2.1 Структурный синтез устройств комбинационного типа
Цель структурного синтеза комбинационных устройств - на основе заданных правил построить структурную схему минимальной сложности из логических элементов заданного базиса. Структурный синтез состоит из нескольких этапов:
Этап 1. Запись условий функционирования комбинационного устройства.
Могут задаваться словесно, таблицей истинности, логическим выражением. Как правило, задается словесно и в этом случае необходимо перейти к другим формализованным формам, обычно это таблица истинности.
Этап 2. Минимизация логической функции.
Необходимо учитывать тип элементной базы, т.е. ориентироваться на логические операции, реализуемые базовыми логическими элементами. Минимизация может проводиться с помощью карт Карно, при числе переменных менее 6, или методом Квайна-Маккласки, или любым другим.
В зависимости от логического базиса получают либо МДНФ, либо инверсию МДНФ.
Этап 3. Запись структурной формулы.
Минимизированная функция представляется в виде удобном для реализации на выбранной или заданной элементной базе (логическом базисе).
Логический базис И-НЕ.
Над МДНФ ставятся два знака инверсии, и с помощью теоремы де Моргана преобразуется инверсия дизъюнкции в конъюнкцию инверсий. Т.о. получается выражение, содержащее только операции И-НЕ.
Логический базис ИЛИ-НЕ.
Используется МДНФ для инверсий функций. Над обеими частями ставиться знак инверсии. Проводиться двойная инверсия каждого слагаемого и с помощью теоремы де Моргана осуществляется переход в базис ИЛИ-НЕ. Т.е. преобразуем инверсию конъюнкций в дизъюнкцию инверсий.
Логический базис И-ИЛИ-НЕ.
Используется МДНФ для инверсий функций. Над левой и правой частями ставиться знак инверсии. Как частный случай может использоваться МДНФ самой функции и над правой частью ставиться знак двойной инверсии.
Этап 4. Составление структурной схемы.
Каждой логической операции структурной формулы ставиться в соответствие определенный логический элемент заданного базиса и на основе структурной формулы осуществляются необходимые соединения между входами и выходами логических элементов.
3.2.2 Синтез электрической схемы.
При синтезе электрической схемы КУ используются два основных способа:
библиотечный и компонентный.
Синтез электрической схемы при библиотечной реализации осуществляется путем замены элементов в полученной логической схеме их схемотехническими эквивалентами из имеющейся у проектировщика библиотеки или каталога. В этом случае составления электрической схемы ведется из готовых схемных фрагментов и для каждого варианта логической схемы формируется соответствующий вариант ее схемотехнической реализации.
При компонентной реализации синтезируется оригинальная электрическая схема всего проектируемого узла или элементов, входящих в состав. В результате для каждого полученного варианта МДНФ создается несколько вариантов реализующих ее электрических схем.