Основные цифровые логические схемы

149

Очень важно отметить, что один и тот же вентиль может вычислять разные функции в зависимости от используемых соглашений. На рис. 3.8, а мы показали выход определенного вентиля, F, для различных комбинаций входных сигналов. И входные, и выходные сигналы показаны б вольтах. Если мы примем соглашение, что О В — это логический ноль, а 3,3 В или 5 В — логическая единица, мы получим таблицу истинности, показанную на рис. 3.8, 6, то есть функцию И. Такое соглаше­ние называется позитивной логикой. Однако если мы примем негативную логику, то есть условимся, что О В — это логическая единица, а 3,3 В или 5 В — логический ноль, то мы получим таблицу истинности, показанную на рис. 3.8, в, то есть функ­цию ИЛИ.

A	В	F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

A	в	F
1	1	1
1	0	1
0	1	1
0	0	0

Рис. 3.8. Электрические характеристики устройства {а); позитивная логика (б);

Негативная логика (в)

Таким образом, все зависит от того, какое соглашение выбрано для отображения вольт в логических величинах. В этой книге мы будем использовать позитивную логику. Случаи использования негативной логики будут оговариваться отдельно.

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. В следующих разделах мы рассмотрим эти стандартные блоки более подробно и увидим, как они используются и как их можно построить из отдельных вентилей.

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 размером примерно 5x5 мм, на котором находится несколько вентилей¹. Маленькие интегральные схемы обычно

Следует заметить, что эти сведения относятся к семидесятым годам прошлого века. В настоящее вре­мя степень интеграции стала выше на несколько порядков, и такие простейшие интегральные схе­мы в вычислительной технике уже давно не используются. — Примеч. научи, ред.

150

Глава 3. Цифровой логический уровень

помещаются в прямоугольные пластиковые или керамические корпуса размером от 5 до 15 мм в ширину и от 20 до 50 мм в длину. Вдоль длинных сторон располага­ется два параллельных ряда выводов около 5 мм в длину, которые можно втыкать в разъемы или впаивать в печатную плату. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого-нибудь вентиля, или с источником питания, или с «землей». Корпус с двумя рядами выводов снаружи и интегральными схемами внутри офи­циально называется двурядным корпусом (Dual Inline Package, сокращенно DIP), но все называют его микросхемой, стирая различие между куском кремния и кор­пусом, в который он помещается. Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28,40, QA или 68 выводов. Для больших микросхем часто используются корпу­са, у которых выводы расположены со всех четырех сторон или снизу.

Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количе­ства вентилей, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень грубая, по 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, как описано в предыдущих разделах. На рис. 3.9 изображена обычная микросхема МИС, содержащая четыре вентиля НЕ-И. Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует нали­чия 12 выводов. Кроме того, микросхеме требуется питание (V_tt) и «земля» (GND). Они разделяются всеми вентилями. На корпусе рядом с выводом 1 обычно имеет­ся паз, чтобы можно было определить, что это вывод 1. Чтобы избежать путани­цы на диаграмме, по соглашению не показываются неиспользованные вентили, источник питания и «земля».

Вывод 8

Паз

GND Рис. 3.9. Микросхема МИС, содержащая 4 вентиля

Основные цифровые логические схемы 151

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. Бремя задержки обычно составляет от 1 до 10 не.

В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн транзисторов на одну микросхему¹. 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, В следующих разделах мы рассмотрим простые микросхемы МИС, в которых несколько вентилей соединены определенным об­разом между собой для вычисления некоторой функции, но при этом требуется небольшое число внешних 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 (напри­мер, приведенную на рис. 3.3, а), является типичным примером комбинационной схемы. В этом разделе мы рассмотрим наиболее часто используемые комбинаци­онные схемы.

Мультиплексоры

На цифровом логическом уровне мультиплексор представляет собой схему с 2" входами, одним выходом и п 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

Не стоит забывать закон Мура. Ядро процессора Pentium IV содержит уже 42 млн транзисторов, и оче­видно, это не предел. — Примеч. научи, ред.

152