Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по проектированию цифровых устройств - файл 2_Проектиров цифр устр.doc


Лекции по проектированию цифровых устройств
скачать (813.3 kb.)

Доступные файлы (11):

1_Основы алгебры логики.doc188kb.08.07.2004 05:33скачать
2а_минимизация.doc519kb.08.07.2004 06:16скачать
2_Проектиров цифр устр.doc174kb.08.07.2004 05:41скачать
3a_применение мультиплексоров.doc287kb.01.12.2001 00:22скачать
3b_Cумматоры.doc176kb.08.07.2004 05:53скачать
3c_интегральные сумматоры.doc202kb.08.07.2004 05:59скачать
3_Типовые комбинационные устройства.doc242kb.08.07.2004 06:25скачать
4_Интегральные триггеры.doc388kb.08.07.2004 06:04скачать
5_задержки в цифровых цепях.doc100kb.01.09.2004 20:00скачать
6_Проектир последоват схем.doc276kb.14.01.2007 17:22скачать
ПЦУ_программа_2002.doc111kb.01.09.2004 20:07скачать

2_Проектиров цифр устр.doc

Проектирование цифровых устройств



С развитием цифровой техники проектирование все в большей степени приобретает интерфейсный характер, т.е. необходимо правильно выполнить соединение отдельных БИС. Однако приходится разрабатывать и специализированные устройства для стыковки подсистем и БИС различающихся интерфейсами.

Методы проектирования небольших устройств хорошо формализованы. Для больших же устройств прибегают к декомпозиции и машинному проектированию.

Основные этапы проектирования функциональных узлов комбинационного типа


  1. Уяснение особенностей КЦ (комбинационной цепи), связей ее с внешними устройствами и соглашение о типе логики (отрицательная, положительная).

  2. Определение размерности задачи и декомпозиция ее при необходимости. Обычно осуществляют вертикальную декомпозицию (по иерархическому принципу) или горизонтальную (например, разрядную).

  3. Описание комбинационной цепи (таблицы, диаграммы, логическое выражение).

  4. Минимизация.

  5. Выбор функционального состава ИС и переход к соответствующему базису.

Наиболее неопределен 4-й этап, т.к. минимизация в смысле выражения сейчас является не оптимальной, потому что могут оказаться более существенными морфологические свойства КЦ, например ее однородность.

Кроме того, каноническая минимизация СКНФ и СДНФ исключает группирование членов и вынесение множителей за скобки, а также исключает подстановки.

Тем не менее, этап может быть полезен хотя бы для лучшего осмысления особенностей КЦ.

До сих пор мы рассматривали только три логических функции: НЕ, И, ИЛИ, через которые можно выразить любую переключательную функцию. Однако этими функциями не исчерпываются все функционально полные логические базисы и, более того, этот базис избыточен, т.к. с помощью законов дуальности можно исключить либо функцию И либо ИЛИ.

Тогда можно получить следующие два полных логических базиса: И-НЕ – штрих Шеффера, ИЛИ-НЕ – стрелка Пирса.

Для реализации в цифровых системах ПФ достаточно иметь минимальный элементный базис. Однако современные серии ИМС имеют расширенный базис, что позволяет существенно упростить структуру цифровых устройств.

^

Структурное проектирование комбинационных схем



Хотя проектирование приобретает все более интерфейсный характер, отдельные узлы необходимо бывает стыковать простейшими устройствами.

Комбинационные узлы и блоки либо собираются из отдельных логических схем (МИС), либо выполняются в виде МС, либо входят в состав БИС.

При разработке комбинационной схемы разрабатывается ее логическая структура и электрическая схема.

При разработке БИС она разбивается на относительно небольшие узлы, которые проектируются самостоятельно (макроэлектронный метод проектирования).

Исходными данными для проектирования комбинационного узла является его функциональное описание и требования к основным электрическим параметрам. Оно задается в виде алгебраического выражения или таблиц истинности.

На первом этапе осуществляется минимизация исходной переключательной функции, если она уже задана.

В случае отсутствия исходной переключательной функции составляется описание комбинационного узла, для чего выделяется входной язык (алфавит), выходной алфавит и алфавит состояний (для автоматов с памятью).

Для каждого символа выходного алфавита записывается выражение, связывающее его с входным алфавитом и алфавитом состояний .



Для каждого состояние – функция перехода в него в зависимости от предыдущего состояния и входных символов.



Для комбинационных схем изо всех выражений выбрасывается состояние.

Следующий этап – кодировка символов всех алфавитов. Кодирование осуществляется обычно на основе двоичной системы и может быть неизбыточным, при этом число разрядов двоичного слова

,

или избыточным, если n превышает минимально необходимое число разрядов. Это обычно используется для повышения помехоустойчивости.

Лишь после этого этапа получается таблица истинности.

Второй этап – синтез логической структуры.

Для этого минимизированная переключательная функция должна быть представлена в виде комбинаций операций, реализуемых элементами базового набора ИМС.

Рассмотрим способы преобразования минимизированных функций к различным элементным базисам. Здесь предлагаются способы, приводящие к результату наиболее быстро.

  1. Базис И-НЕ.

От исходной функции берется двойная инверсия и используется теорема де-Моргана.



  1. Базис ИЛИ-НЕ.

В этом случае также берется двойная инверсия и по теореме де-Моргана преобразуется каждая конституента «1» в дизъюнкцию инверсий (наиболее просто = СКНФ).



  1. ^ Базис И-ИЛИ-НЕ.

Вначале необходимо получить МДНФ для инверсии исходной функции. Инверсия этого выражения даст функцию, реализуемую одним элементом И-ИЛИ-НЕ. При отсутствии такового можно преобразовать исходную функцию, взяв двойную инверсию, раскрыв по теореме де-Моргана одну инверсию и применив распределительный закон.




  1. ^ Базис НЕ, монтажное И.


(под монтажным И, ИЛИ понимают функции, реализуемые объединением выходов логических элементов, например с ОК).

Проще всего преобразовать МКНФ заданной функции, применив двойную инверсию дизъюнктивных членов теорему де-Моргана. Более трудоемко преобразование МДНФ.



Данная функция выполняется с помощью операций инверсии и конъюнкции.

Пример логической структуры схемы на инжекционных элементах приведен справа.

Переменные, входящие в несколько конъюнкций, следует получать от независимых источников. В W2 схемах – это многоколлекторные транзисторы.


  1. ^ Базис ИЛИ-НЕ, монтажное ИЛИ


Получается при двойной инверсии каждого конъюнктивного члена и применении теоремы де-Моргана.



Схема на ЭСЛ элементах приведена справа.

При синтезе логической структуры нужно учитывать ограничение на число входов. При чрезмерном числе входов необходимо произвести декомпозицию исходной функции или вынести за скобки общие множители.

При этом увеличится общее число элементов, число последовательно включенных элементов, а потому возрастут задержки и потребляемая мощность.

Пусть требуется реализовать в базисе И-НЕ исходную функцию

на трехвходовых элементах.

Прямое преобразование приведет к использованию 5-входовых элементов. Методом декомпозиции можно достигнуть требуемого результата.



Мы воспользуемся методом вынесения за скобки общего множителя.



^

Схемное проектирование цифровых МС



Минимизированное логическое выражение и логическая структура узла или блока служат исходными данными для схемного проектирования, т.е. электрической схемы.

Различают два способа схемного проектирования.

^ Элементное проектирование – на основе базового набора логических элементов. Выбирается базовый набор логических элементов, не меняющийся в пределах БИС, СБИС и проектируется топология в соответствии с логической структурой. Оптимизация параметров достигается изменением параметров отдельных элементов без изменения электрической цепи – т.н. параметрическая оптимизация. Так проектируются БИС на основе матричных схем (нескоммутированных вентильных матриц – 1801ВП1-030). Метод эффективен для базовых наборов U2Л, n-МОП, КМДП-логики, где элементы содержат малое число компонентов и ограниченное число модификаций.

^ Компонентное проектирование – выполняется на основе базового набора компонентов, из которых выполняется синтез электрической схемы, выполняющей логическую функцию. Метод чаще используется для ЭСЛ и ТТЛ - схем, т.к. количество базовых элементов в этих сериях велико, оптимальный выбор затруднен, а базовые элементы бывают компонентно избыточны для многих применений. Метод более сложен, но дает лучшие результаты.
^

Синтез схем на МДП – транзисторах



Метод компонентного синтеза в этом случае реализуется наиболее просто, т.к. просты структуры соединений, а именно, при последовательном включении реализуется конъюнкция с инверсией, а при параллельном – дизъюнкция с инверсией.

Порядок синтеза

  1. Функция в виде инверсии дизъюнкций и конъюнкций приводится к виду и

(обычно имеется несколько вариантов).

  1. Производится соединение транзисторов в соответствии с полученными выражениями по правилам:

  • каждой букве соответствует транзистор, на затвор которого подается переменная;

  • для реализации конъюнктивных членов транзисторы включаются последовательно, а

дизъюнктивных – параллельно;

  • подключается нагрузочный транзистор и цепи питания.

  1. Выполняется сравнительный анализ полученных вариантов схем и отбирается наилучшая (по мощности, площади, быстродействию).

Пример.




В случае сложных функций прибегают к декомпозиции.

Приведенный пример и методика синтеза еще раз показывают смысл минимизации и уточняют понятие минимальности – как минимального числа символов, входящих в выражение.
^

Синтез схем ТТЛ, ДТЛ, И2Л


Эта задача решается на основе метода токовых графов. Электрическая схема представляется в виде графа, вершинами которого служат потенциально-токовые функциональные элементы ПТФЭ.

Существуют различные типы ПТФЭ и схемно-топологические варианты их реализации. Рассмотрим основные варианты и типы ПТФЭ.
^

Источники тока


Разделяются на источники втекающего и вытекающего токов, ИТ0 и ИТ1 соответственно.




^

Токовые ключи


Различаются полярностью управляющего тока: ТК1 – втекающий, ТК0 – вытекающий управляющий ток.



^

Объединители и разветвители тока (ОТ и РТ)


Для ОТ и РТ если направление информации совпадает с направлением тока, то знак z=0, иначе – 1.

Т
ак, для ОТ0 направление распространения информации от входа к выходу соответствует направлению токов.
^

Фиксаторы потенциала


Элементы для согласования логических уровней и порогов переключения.

Л
огические функции выполняются токовыми ключами и объединителями токов. Одиночный токовый ключ выполняет логическую функцию НЕ, т.к. входной и коммутаторный ток имеют разную полярность. Если учесть, что эмиттер тоже может служить управляющим электродом, то транзистор может выполнять и более сложные функции.

Так для приведенной схемы коллекторный ток существует лишь при вытекающем базовом и втекающем эмиттерном токах. Будем считать токи, совпадающие по направлению с передачей информации, положительными.

Тогда при A=0, B=1 F=0, а во всех остальных случаях F=1.

A

B

F

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1



импликация от B к A

Объединители тока типа реализуют функцию F=A+B, т.е. дизъюнкцию, а типа – или - конъюнкцию.

Синтез цифровых схем на б.т осуществляется переходом от логического выражения к токовому графу с последующей заменой ПТФЭ их схемными вариантами.

Для этого:

  1. Находят ряд минимизированных форм и составляют для них токовые графы.

  2. Включают источники тока, необходимые для функционирования схем с соблюдением токовой совместимости (закона Кирхгофа для токов). При этом , где z, k и z’, k’ – знак и класс предыдущего и последующего ПТФЭ (класс = 1 для активных – ИТ и ТК и 0 для пассивных элементов).

  3. Замещают ПТФЭ их возможными схемными вариантами. При этом начинают с ТК, затем ИТ. Пассивные элементы располагаются в следующий приоритетный ряд: 1 – монтажные, 2- диодные, 3 – транзисторные, 4 – резисторные. Следует, однако, помнить, что последовательное включение монтажных ОТ и РТ приводит к КЗ.

Для полученных схем проверяют потенциальные условия переключения.

, где - порог переключения последующего ТК, v0, v’ – потенциалы на выходе открытого и закрытого предыдущего ТК, - алгебраическая сумма падений напряжений на ПТФЭ включенных между ТК. В эмиттерные, базисные или коллекторные цепи ТК включают фиксаторы потенциалов.

Для ключевых транзисторов проверяют условия насыщения и, при необходимости, включают ОТ или РТ в базовые или коллекторные цепи, обеспечивающие уменьшение Jки или увеличение Jбн.

  1. Анализируют возможности физического совмещения компонентов схем в общей области полупроводника (МЭТ, схемы с инжекционным питанием).

  2. На основе сравнительного анализа отбирают реализуемый вариант.

Для этого сравнивают активные площади кристалла , где i – тип ПТФЭ, j – количество одинаковых ПТФЭ каждого типа; потребляемую мощность , где nит – число источников тока; задержку переключения , где tт – средняя задержка переключения j-го ТК, Cnj – паразитная емкость j-го ТК, Uлj – перепад на нем.

Токи переключения для повышения быстродействия распределяют пропорционально C*U узлов.

Точный расчет осуществляют на ЭВМ.



Скачать файл (813.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации