2. Введение.

Все современные устройства вычислительной техники строятся на основе больших интегральных схем (БИС), представляющих собой кристаллы с высокой степенью интеграции элементов. По своим функциональным возможностям такие БИС разделяются на кристаллы со связанной логикой и кристаллы с программируемой логикой. В кристаллах со связанной логикой существует определенный набор функциональных узлов. Каждый узел и входящие в него устройства имеют строго закрепленные адреса. Коды команд, приводящих в действие такие кристаллы, содержат адреса узлов и устройств, входящих в эти узлы. С помощью этих адресов осуществляются необходимые коммутации. Таким образом устанавливаются связи между устройствами, входящими в состав кристалла и производятся предписанные программой действия. В программируемой логике кристалл представлен набором некоторых базовых элементов, из которых строится схема. Чтобы создать заданное устройство в таком кристалле, необходимо запрограммировать точки связей. В дальнейшем такая БИС используется точно также, как и кристалл со связанной логикой, с той лишь разницей, что при необходимости точки связей можно перепрограммировать, получив совершенно новую схему.

Существуют цифровые, аналоговые и цифро-аналоговые БИС. Мы будем рассматривать цифровые БИС. Изучение строения и функционирования таких устройств включает в себя три этапа:

• изучение базовых цифровых устройств;

• изучение принципов построения БИС с программируемой логикой и синтез схем на базе таких кристаллов;

• изучение принципов функционирования кристаллов со связанной логикой.

1. Цифровые устройства.

Все цифровые устройства строятся на основе логических элементов. Логические элементы – это схемы, построенные на полупроводниковых переходах. Таким образом, цифровые устройства предполагают работу с двумя уровнями напряжения: высоким, снимаемым с запертого перехода и низким, снимаемым с открытого перехода. В цифровой технике эти уровни именуются единицей – «1» и нулем – «0». Функционирование таких устройств описывается уравнениями алгебры логики.

Вкратце напомним логические действия. Это:

• логическое сложение, дизъюнкция – ИЛИ (OR);

• сложение по модулю два, исключающее ИЛИ (XOR);

• логическое умножение, конъюнкция – И(AND);

• отрицание, инверсия – НЕ(NOT).

Условное обозначение элементов и таблицы их функционирования.

Функция ИЛИ.

Уравненние: y=x₁v x₂ v…v x_n

x2	x1	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Таблицы функционирования для n =2(табл.1) и n =3 (табл.2). Блок-схема элемента (рис.1)

1. Рис.1

2. Табл.1

x3	x2	x1	y
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

.

3. Табл.2

Функция исключающее ИЛИ.

Уравнение: y=x₁  x₂

Таблица функционирования (табл.3). Блок-схема элемента (рис.2)

x2	x1	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

4. Рис.2 Табл.3

Функция И.

Уравнение: y = x₁ x₂ … x_n

Таблицы функционирования n =2(табл.4) и n =3 (табл.5). Блок-схема элемента (рис.3)

x2	x1	y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Рис.3 Табл.4

x3	x2	x1	y
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

Табл.5

Функция НЕ.

Уравнение: y =x

Таблица функционирования (табл.6). Блок-схема элемента (рис.4).

x	y
0	1
1	0

Рис.4 Табл.6

Для структур, построенных на транзисторно-транзисторной логике, базовыми являются элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ, т.к. они содержат наименьшее количество переходов.

Функция ИЛИ-НЕ.

Уравнение: y=x₁v x₂ v…v x_n

Таблица функционирования n=2 (табл.7). Блок-схема элемента (рис.5).

x2	x1	y
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

1

x1

xn

Рис.5

Табл.7

Функция И-НЕ.

Уравнение: y = x₁ x₂ … x_n

Таблица функционирования n=2 (табл.8). Блок-схема элемента (рис.6).

x2	x1	y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Рис.6 Табл.8

Трехстабильные элементы.

Используются в качестве буферных элементов для подключения входов и выходов схем к шинам. Такие элементы обязательно имеют управляющий вход (рис.7). При отсутствии сигнала управления выход элемента находится в высокоимпедансном состоянии, т.е. в состоянии высокого уровня, вызванного обрывом (отсутствием выходных токов). Сигнал управления «1» для биполярных структур и «0» для полевых.

Вышеперечисленные логические элементы являются основой построения цифровых устройств. Все цифровые устройства делятся на два основных класса:

• комбинационные цифровые устройства (КЦУ), или схемы без обратных связей;

• конечные автоматы (последовательностные цифровые устройства), или схемы с обратными связями.

Рис.7