2.1.2 Эквивалентность схем
Разработчики схем часто стараются сократить число логических элементов, чтобы снизить цену, уменьшить занимаемое схемой место, сократить потребление энергии и т. д. Чтобы упростить схему, разработчик должен найти другую схему, которая может вычислять ту же функцию, но при этом требует меньшего количества транзисторов (или может работать с более простыми логическими элементами (например двухвходовыми вместо четырех входных). При построении эквивалентных схем прибегают к помощи булевой алгебры. Обычно разработчик исходит из определенной булевой функции, а затем применяет к ней законы булевой алгебры, чтобы найти более простую функцию, эквивалентную исходной. На основе полученной функции можно конструировать схему. Этот процесс называется синтезом схем [2.2]
2.1.3 Основные логческие схемы
Логические элементы производятся и продаются не по отдельности, а в модулях, которые называются интегральными схемами (ИС) или микросхемами. Интегральная схема представляет собой пластину кремния на которой находится несколько логических элементов. 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. Каждый вывод соединяется с входом или выходом какого-нибудь логического элемента, 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, 64 или 68 выводов.
Для микросхем с большим количеством элементов зачастую используются корпуса, у которых выводы расположены со всех четырех сторон или снизу.
Микросхемы можно разделить на несколько классов с точки зрения количества логических элементов, которые они содержат. Эта классификация, конечно, очень грубая, но иногда она может быть полезна:
• МИС (малая интегральная схема): от 1 до 10 логических элементов.
• СИС (средняя интегральная схема): от 1 до 100 логических элементов.
• БИС (большая интегральная схема): от 100 до 100 000 логических элементов.
• СБИС (сверхбольшая интегральная схема): более 100 000 логических элементов.
Эти схемы имеют различные свойства и используются для различных целей. Для удобства мы считаем, что у логического элемента появляются изменения на выходе, как только появляются изменения на входе. На самом деле существует определенная задержка сигнала, которая включает в себя время прохождения сигнала через микросхему и время переключения. Время задержки зависит от технологии производства транзисторов. В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн транзисторов на одну микросхему. Так как любая схема может быть сконструирована из логических элементов НЕ-И, может создаться впечатление, что производитель способен изготовить микросхему, содержащую 5 млн элементов. К несчастью, для создания такой микросхемы потребуется 15 000 002 выводов. Поскольку стандартный вывод занимает около 1 мм, микросхема будет примерно 10 в длину, что очень «упростит» не только ее производство но и установку. Поэтому чтобы использовать преимущество данной технологии, нужно разработать такие схемы, у которых количество логических элементов сильно превышает количество выводов.
Для уменьшения числа входов и выходов применяются парные устройства – мультиплексор и демультиплексор. Мультиплексор - это устройства которые позволяют сигнал из одного из множества информационных (согласно значению на адресном входе) входов передается на один информационный выход. Демультиплексор же производит обратное действие, а именно сигнал с одного информационного входа, согласно значению на адресных входах, передается на один из множества информационных входов. Кроме того для решения некоторых локальных задач применяются компараторы и сумматоры. Отдельно стоит отметить применение RS триггеров в качестве ячеек памяти. Так каждый триггер можно представить в виде ячейки памяти на 1 бит. Группа таких ячеек которая позволяет хранить промежуточные значения вычислений может использоваться как оперативная память, или кэш память для вычислений.