Основные цифровые логические схемы
В предыдущих разделах мы увидели, как реализовать простейшие схемы с использованием отдельных вентилей. На практике в настоящее время схемы очень редко конструируются вентиль за вентилем, хотя когда-то это было распространено. Сейчас стандартные блоки представляют собой модули, которые содержат ряд вентилей. Далее мы рассмотрим эти стандартные блоки более подробно
Интегральные схемы
Вентили производятся и продаются не по отдельности, а в модулях, которые называются интегральными схемами (ИС) или микросхемами. Интегральная схема представляет собой квадратный кусочек кремния небольшого размера.
Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количе-
ства вентилей, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень грубая,
но иногда она может быть полезна:
МИС (малая интегральная схема): от 1 до 10 вентилей.
СИС (средняя интегральная схема): от 1 до 100 вентилей.
БИС (большая интегральная схема): от 100 до 100 000 вентилей.
СБИС (сверхбольшая интегральная схема): более 100 000 вентилей.
Эти схемы имеют различные свойства и используются для различных целей.
МИС обычно содержит от двух до шести независимых вентилей, каждый из которых может использоваться отдельно. Подобные микросхемы стоят несколько центов. Каждая микросхема МИС содержит несколько вентилей и примерно до 20 выводов. В 70-е годы компьютеры конструировались из большого числа таких микросхем, но в настоящее время на одну микросхему помещается целый центральный процессор и существенная часть памяти (кэш-памяти).
Для удобства мы считаем, что у вентиля появляются изменения на выходе, как только появляются изменения на входе. На самом деле существует определенная задержка вентиля, которая включает в себя время прохождения сигнала через микросхему и время переключения. Время задержки обычно составляет от 1 до 10 нс.
В настоящее время стало возможным помещать до нескольких десятков миллионов транзисторов на одну микросхему. Так как любая схема может быть сконструирована из вентилей НЕ-И, может создаться впечатление, что производитель способен изготовить микросхему, содержащую 5 млн вентилей НЕ-И. К несчастью, для создания такой микросхемы потребуется 15 000 002 выводов. Поскольку стандартный вывод занимает 0,1 дюйм, микросхема будет более 18 км в длину, что отрицательно скажется на покупательной способности. Поэтому чтобы использовать преимущество данной технологии, нужно разработать такие схемы, у которых количество вентилей сильно превышает количество выводов.
Комбинационные схемы
Многие применения цифровой логики требуют наличия схем с несколькими входами и несколькими выходами, в которых выходные сигналы определяются текущими входными сигналами. Такая схема называется комбинационной схемой. Не все схемы обладают таким свойством. Например, схема, содержащая элементы памяти, может генерировать выходные сигналы, которые зависят от значений, хранящихся в памяти. Микросхема, которая реализует таблицу истинности сложной функции, является типичным примером комбинационной схемы.
Мультиплексоры
На цифровом логическом уровне мультиплексор представляет собой схему с 2n входами, одним выходом и n линиями управления, которые выбирают один из входов. Выбранный вход соединяется с выходом. На рис. 3.10 изображена схема восьмивходового мультиплексора. Три линии управления А, В и С кодируют 3-битное число, которое указывает, какая из восьми линий входа должна соединяться с вентилем ИЛИ и, следовательно, с выходом. Вне зависимости от того, какое значение будет на линиях управления, семь вентилей И будут всегда выдавать на выходе 0, а оставшийся может выдавать или 0, или 1 в зависимости от значения выбранной линии входа. Каждый вентиль И запускается определенной комбинацией линий управления.
Рис. 3.10. Схема восьмивходового мультиплексора
Мультиплексор может использоваться для выбора одного из нескольких входов и для реализации таблицы истинности. Его также можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последоваельный. Если подать 8 битов данных на линии входа, а затем переключать линии управления последовательно от 000 до 111 (это двоичные числа), 8 битов поступят на линию выхода последовательно.
Противоположностью мультиплексора является демультиплексор, который соединяет единственный входной сигнал с одним из 2n выходов в зависимости от значений n линий управления. Если бинарное значение линий управления равно к, то выбирается выход к.