Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 44
Текст из файла (страница 44)
В качестве примера рассмотрим функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. 3.7, а). Стандартная схема, выражающая сумму произведений, показана на рис. 3.7, б. Чтобы перейти к форме НЕ-И, нужно линии, соединяющие выходы вентилей И с входом вентиля ИЛИ, нарисовать с инвертирующими входами и выходами, как показано на рис.
3.7, в. А Рис. 3.7. Таблица истинности для функции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (а). Три схемы для вычисления этой функции (б), (в), (г) Основные цифровые логические схемы 171 Затем, опираясь на рис. 3.6, а, мы приходим к рис. 3.7, к Переменные А и В можно получить из А и В, использовав вентили НЕ-И или НЕ-ИЛИ с объединенными входами. Отметим, что инвертирующие входы (выходы) можно по желанию перемещать вдоль линии связи, например, от выходов входных вентилей ко входам выходного вентиля. 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 выходные сигналы вентиля Р для различных комбинаций входных сигналов. И входные, и выходные сигналы даны в вольтах. Если мы примем соглашение, что Π — это логический ноль, а 3,3 В или 5  — логическая единица, мы получим таблицу истинности, показанную на рис. 3.8, б, то есть функцию И. Такое соглашение называется позитивной логикой.
Однако если мы примем негативную логику, то есть условимся, что Π — это логическая единица, а З,З В или 5  — логический ноль, то мы получим таблицу истинности, показанную на рис. 3.8, в, то есть функцию ИЛИ. Рис. 3.8. Электрические характеристики устройства (в); позитивная логика (б); негативная логика (в) Таким образом, все зависит от того, какое соглашение выбрано для отображения напряжений в логических величинах. В этой книге мы в основном ограничимся позитивной логикой.
Случаи использования негативной логики будут оговариваться отдельно. Основные циФровые логические схемы Теперь мы знаем, как строить простейшие схемы из отдельных вентилей. На практике цифровые логические схемы очень редко строятся вентиль за вентилем, хотя когда-то такой подход был распространен. Сейчас стандартные «строительные» блоки представляют собой модули, объединяющие несколько вентилей. В следующих подразделах мы рассмотрим эти стандартные блоки более подробно и увидим, как они используются и как их получить из отдельных вентилей.
Интегральные схемы Вентили производятся и продаются не по отдельности, а в модулях, которые называются интегральными схемами (ИС), или микросхемами. Интегральная схе- 172 Глава 3. Цифровой логический уровень ма представляет собой квадратный кусок кремния размером примерно 5 х 5 мм, на котором располагаются несколько вентилей.
Маленькие интегральные схемы обычно 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 вставлять в разъемы или впаивать в печатную плату. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого-нибудь вентиля, с источником питания или с «землей».
Корпус с двумя рядами выводов снаружи и интегральными схемами внутри официально называется корпусом с двусторонним расположением выводов (1)иа) 1пйпе Раскайе, 1»1Р), но все называют его микросхемой, игнорируя разницу между куском кремния и корпусом, в который он помещается. Большинство корпусов имеют 14, 16, 18, 20, 22, 24, 28, 40, 64 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, 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, как описано в предыдущих разделах. На рис. 3.9 изображена обычная МИС, содержащая четыре вентиля НЕ-И. усе Вывод 8 Паз Земля Рис. З.в. МИС из четырех вентилей Основные цифровые логические схемы 173 Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует 12 выводов.
Кроме того, микросхеме требуются питание ('к'сс) и земля. Они общие для всех вентилей. 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. Подобные микросхемы стоят несколько центов. Каждая содержит несколько вентилей и примерно до 20 выводов. В 70-е годьг компьютеры конструировались из большого числа таких микросхем, но в настоящее время на одну микросхему помещается целый центральный процессор и существенная часть памяти (кэш-память).
Для удобства мы считаем, что выходной сигнал вентиля изменяется, как только изменяется сигнал на его входе. На самом деле существует определенная задержка вентиля, которая включает в себя время прохождения сигнала через микросхему и время переключения. Задержка обычно составляет от 1 до 10 нс.
В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн 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 дюйма, микросхема будет иметь в длину более 18 км, что, вероятно, отрицательно скажется на ее рыночных свойствах. Поэтому чтобы использовать преимущество данной технологии, нужно разработать такие схемы, в которых количество вентилей значительно превышает количество выводов.
В следующих подразделах мы рассмотрим простые МИС, в которых для вычисления той или иной функции несколько вентилей соединяются определенным образом между собой, что позволяет уменьшить число внешних выводов. Комбинаторные 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 комбинаториой.
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 комбинаторной схемы. В этом разделе мы рассмотрим наиболее часто используемые комбинаторные схемы.
Мультиплексоры На цифровом логическом уровне мультиплексор представляет собой схему с 2" входами, одним выходом и п линиями управления, которые позволяют выбрать один из входов. Выбранный вход соединяется с выходом. На рис. 3.10 изображена ' Не стоит забывать закон Мура. Ядро процессора Реостата 4 содержит уже 42 млв транзисторов, и, очевидно, это не предел.
— Примеч. наука. ред. 174 Глава 3. Цифровой логический уровень схема восьмивходового мультиплексора. Три линии управления, А, В и С, кодируют 3-разрядное число, которое указывает, какая из восьми входных линий должна соединяться с вентилем ИЛИ и, следовательно, с выходом. Вне зависимости от того, какое значение окажется на линиях управления, семь вентилей И всегда будут выдавать на выходе О, а оставшийся может выдавать 0 или 1 в зависимости от значения выбранной линии входа. Каждый вентиль И запускается определенной комбинацией сигналов на линиях управления. Если в схему мультиплексора, показанную на рис. 3.10, добавить источник питания и землю, то мультиплексор можно включить в корпус с 14 выводами.
рв рв 04 рв рв Ст д в Рис. 3.10. Схема восьмивходового мультиплексора Использовав мультиплексор, мы можем реализовать функцию большинства (см. рис. 3.3, а), как показано на рис. 3.11, б. Для каждой комбинации А, В и С выбирается одна из входных линий. Каждый вход соединяется либо с сигналом Рос (логическая 1), либо с землей (логический 0). Алгоритм соединения входов очень прост: входной сигнал В; такой же, как значение в строке(таблицы истинности. На рис. 3.3, а в строках О, 1, 2 и 4 значение функции равно О, поэтому соответствующие входы заземляются; в оставшихся строках значение функции равно 1, поэтому соответствующие входы соединяются с логической единицей. Таким способом можно реализовать любую таблицу истинности с тремя переменными, использовав микросхему на рис.
3.11, а. Основные цифровые логические схемы 175 'т'сс 01 02 0е 04 0е 0е 0т я в с лв с Рис. 3.11. Мультиплексор, построенный нв СИС (в); тот кв мультиплексор, смонтированный для вычисления функции большинства (б) Мы уже видели, как мультиплексор может использоваться для выбора одного из нескольких входов и как он позволяет строить таблицу истинности. Его также можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный. Если подать 8 бит данных на входные линии, а затем поочередно переключать линии управления, чтобы получить значения от 000 до 111 (это двоичные числа), то 8 бит поступят на выходную линию последовательно. Обычно такое преобразование осуществляется при вводе информации с клавиатуры, поскольку каждое нажатие клавиши определяет 7- или 8-разрядное число, которое должно передаваться последовательно по телефонной линии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
