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, в частности, синтеза комбинационным схем и схем сравнения в заданном базисе, реализации логических функций на дешифраторах, ПЛМ и ПЗУ, а также синтеза многофункциональных регистров и управляющих автоматов. 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. Развитие компьютерной схемотехники является основой совершенствования архитектуры ЭВМ, повышения качества реализации компонентов, увеличения быстродействия и наращивания функциональности.

ЭВМ  выполняют  арифметические  и  логические  операции,  при  этом  используется  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  такими  двоичными  сигналами,  называют  логическими.  На  основе  логических  элементов  разрабатываются  устройства,  выполняющие  и  арифметические,  и  логические  операции. Рассмотрению таких устройств и посвящены предлагаемые лабораторные работы.

Лабораторная работа №1 – Синтез комбинационных схем

1. Общие сведения

Стандартные серийные микросхемы часто состоят из элементов (вентилей) только одного типа. Например «2И-НЕ», «3И-НЕ», «3ИЛИ-НЕ».

В связи с этим, возникает задача реализации булевой функции (БФ) в базисе с ограничениями, это означает, что схема для реализации заданной функции может быть построена на элементах только одного или двух указанных условий и 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 несоответствующих функций на заданную («И» «ИЛИ», «ИЛИ»  «И»). На этом шаге устанавливается функциональное соответствие формулы заданному базису

2. Группировка переменных в термах и самих термов соответственно числу входов базисного элемента. На этом шаге необходимо сгруппировать переменные в термах, а также сами термы, так чтобы число аргументов в каждом произведении было не больше числа входов базисного элемента. Группировка реализуется путем заключения в скобки (скобки обозначают приоритетное выполнение, что в схеме реализуется на более раннем уровне). Так как каждая инверсия в формуле (кроме инверсии входных сигналов) реализуется в схеме одним элементов, то чтобы реализовать скобки, то есть обеспечить приоритет, и при этом сохранить тождество, необходимо над фрагментов, взятым в скобки, поставить двойную инверсию. В схеме двойная инверсия реализуется последовательно из двух элементов.

Каждая комбинационная схема имеет ряд параметров, которые ее характеризуют:

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

2. Число уровней схемы равно числу инверсий в самом большом слое.

3. Если расчетное время задержки одного элемента τ_эл-та = 10нс, то общее время задержки схемы определяется:

τ_сх = N_УР * τ_эл-та.

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