Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987), страница 3

Небольшие по размерам вставные модули типа использованных в ЭВМ Х1 были заменены одной большой платой с десятками ИС. Такие платы затем соединяются с другими платами. Взаимные соединения между отдельными платами, осуществляемые с помощью разъемов, первоначально производились о ТТЛ вЂ” транзисторно-транзисторная логика. — Прим. перев, м КМОП-структура — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник. — Прим. лерев. Дискретная скенотекника и двоичное исчисление в стойках с применением монтажа накруткой или стежковой сваркой, однако в дальнейшем от этой технологии отказались, чтобы освободить место для печатного монтажа на обратной стороне платы.

В середине 60-х годов был достигнут большой прогресс в разработке МОП-транзистора †элемен с ничтожно малым тепловыделением и простой конструкцией. Эти факторы позволили изготовить ИС с еще более высокой плотностью расположения элементов, что, в свою очередь, привело к сборке целого процессора (т. е. основы ЭВМ) на одном кристалле небольших р азмеров.

В начале 70-х годов фирме 1п1е1 (США) удалось разработать микропроцессор (1сР), хотя вначале его набор команд и разрядность шины данных были небольшими. За первым микропроцессором типа 4004 вскоре был создан микропроцессор типа 8008 с 8-разрядной шиной передачи данных, а затем — микропроцессор 8080 с более совершенной системой команд. В настоящее время разрабатываются микропроцессоры с 16-разрядными шинами передачи данных (1 бит=1 двоичному числу) и с еще большим набором команд.

Эти микропроцессоры изготавливаются теперь многими фирмами. Одновременно с созданием микропроцессоров разрабатывались полупроводниковые ЗУ на МОП-транзисторах, поэтому в настоящее время уже на одной плате можно разместить целый компьютер. Цена такого компьютера составляет от сотни до нескольких тысяч долларов, в зависимости от объема ЗУ и состава системы внешних устройств для ввода данных и вывода на магнитную ленту. С появлением микропроцессоров область применения ЭВМ существенно расширилась.

Если вначале компьютеры применялись только в научно-исследовательской работе и АСУ, то сегодня их можно встретить и в швейных машинках, бензоколонках н в кассовых аппаратах. Можно назвать также персональные компьютеры, которые используются не только любителями разнообразных хобби, но и профессионалами, занимающимися разработкой проектов автоматизации систем распределения газа, электричества и воды и других систем управления процессами.

Несмотря на интенсивную разработку микропроцессоров потребность в схемах на ТТЛ- и КМОП-элементах с относительно невысокой степенью интеграции остается, как и прежде, большой. Это связано с тем, что такие элементы обеспечивают большую гибкость при разработке логических схем, предназначенных для применений, в которых важную роль играют скорость переключения, небольшие размеры и небольшая стоимость. Микропроцессор для этих применений часто менее эф- 16 Глава 1 фективен, потому что для реализации некоторой определенной вычислительной операции в нем используется ряд дополнительных устройств, таких, как ЗУ и система ввода-вывода, из-за чего объем электронной аппаратуры существенно увеличивается.

При последовательной обработке информации в микропроцессоре скорость обработки оказывается значительно меньшей, чем в биполярных устройствах с дискретной логикой. Что касается сборки логических устройств с применением схем И, ИЛИ и НЕ, то здесь следует отметить, что в настоящее время на одном кристалле удается разместить целые серии таких схем и программировать желаемую операцию автономно. Программирование осуществляется путем удаления ненужных межсхемных соединений методом токового импульса. Линии связи, размещенные на поверхности кристалла, имеют плавкие соединения в форме хромоникелевых мостиков, которые при использовании запрограммированных импульсов тока разрушаются, в результате чего соответствующие «лишние» соединения разрываются.

Серийные логические элементы известны под такими названиями, как РРЕА (Р!е1Й РгойгапппаЫе 1од!с Аггау — программируемая матрица логических элементов на полевых ИС), РРОА (Р!е1б РгодгапппаЫе Оа!е Аггау — программируемая матрица вентильных элементов на полевых ИС), РМс)Х (РгойтапппаЫе Ми!!!р!ехег — программируемый мультиплексор) и РА!.

(РгоцгапппаЫе Аггау 1оц!с — программируемая матричная логика). Если предусматривается массовое производство определенных дискретных схем, имеется возможность создавать эти схемы из полуфабрикатов, которые называются заказными ИС. Следует также отметить, что ИС применяются в теле- и радиоаппаратуре, причем как в цифровой, так и в аналоговой формах.

1.2. Элементы цифровых схем и логические функции В настоящее время ИС для цифровых устройств продаются по цене, которая не намного превышает цену одного транзистора. К ним относятся ИС, известные под названиями ТТЛ, КМОП и ЭСЛ (транзисторная логика с эмиттерными связями). Логическую схему можно представить в виде черного ящика с одним или несколькими входами и выходами. Единственное, что нам известно об этом ящике,— это функция, которая дает связь между входными переменными и выходным сигналом.

Как реализована такая функция и сколько транзисторов, диодов и резисторов содержится в нем — нам неизвестно. Имеется )7 Дискретная схемотехника и двоичное исчисление несколько систем символического представления логической функции, реализуемой данной цифровой схемой. Среди многих систем известна американская система пп1зрес, которая встречается преимущественно в специальной литературе. В системе принятой Международной Электротехнической Комиссией (МЭК), используется описание логической функции с помощькр квадратной рамки, в которой находится символ данной функ- 4 >/ Рунцоян' Фонду(оя ИФ о с я.

Нопуяясмос поусснояь5В ХчГС У5 УВ П Уо С З момняя лсчяс яссочссхсд схемы Гяссочссхся ссмяя) Рис. )Вй Символы для функций И и ИЛИ. а и е — общеупотребительные в специальной литературе; б и г — символы, прилитые Межпуиародиой Элевтротехиичеспой Комиссией; д — ИС в иорпусе с двойным располо- жением выводов. ции. На рис. 1.2 приведены соответствующие символы для обозначения функций И и ИЛИ. Последняя из названных систем описана в инструкции МЭК-117-15о и принята в Голландии в качестве стандарта. На рис. 1.2 показан также корпус в стандарте ПП, (Ппа1-1п-1)пе).

На этом же рисунке с помощью символа функции И показано, что в корпусе размещено четыре схемы И, каждая из которых имеет два входа и один выход. Корпус 011 показан здесь сверху, а не снизу, как это принято в случае ламп и транзисторов. При использовании логических схем необходимо уметь правильно интерпретировать символы, служащие для описания н Этот документ выпущен Международной Электротехнической Комиссией (МЭК). — Прим.

ред. Глааа 1 схем данного типа. Поэтому первое, что мы собираемся здесь сделать,— это изучить более подробно основные логические функции и их возможности. В цифровой технике используются схемы, имеющие два состояния, обозначаемые нулем и единицей или словами ДА и НЕТ. Когда требуется обработать или запомнить какие-то числа, то они представляются в виде определенных комбинаций единиц и нулей. Разумеется, можно задать вопрос: а почему в цифровых схемах всегда используются только нули и единицы? Ответ простой: это связано с тем, что вход и выход логической схемы могут находиться только в двух состояниях. Одно состояние такой схемы характеризуется напряжением 0 В, а другое— напряжением +5 В.

Другая комбинация напряжений может состоять из 0 и — 5 В. Выбор рабочего уровня напряжения зависит от параметров транзисторных схем, которые применяются для реализации данной функции. В ТТЛ-схемах рабочими уровнями напряжения являются 0 и +5 В, при этом мы говорим, что 0 В соответствует нулю, а +5  — единице. В специальной литературе эту логику называют положительной, потому что логической единице соответствует положительное напряжение.

Это напря.жение не обязательно должно быть равно точно +5 В (единице может соответствовать и напряжение +3,5 В). То же самое справедливо н для логического нуля, потому что, например, напряжение +0,8 В наряду с напряжением 0 В можно использовать для представления нуля. Предельные значения напряжений для представления единицы и нуля (т. е. область допустимых значений) обычно указывает фирма — изготовитель данной схемы, потомучто ей известно, как данная схема реагирует на отклонение уровня напряжения от номинала.

В ТТЛ-схемах на каждом из входов допускается нулевойуровень ие выше 0,8 В и единичный уровень не ниже 2 В. При этом изготовитель гарантирует, что нулевой уровень всегда будет иметь значение, меньшее или равное 0,4 В, а единичный уровень — значение, большее 2,4 В. Современные ТТЛ-схемы из серии ЗХ74 работают с напряжением питания +5 В, и это значение является одновременно самым высоким напряжением, которое может давать единицу. Очевидно, что данные значения напряжения для представления единицы и нуля имеют смысл в предположении, что выходная нагрузка находится в допустимых пределах.