6. Степени интеграции микросхем. Позитивная и негативная логика

Интегральные схемы часто классифицируются в соответствии со сложностью, измеряемой числом вентилей, упакованных в одном корпусе. ИС могут содержать несколько, десятки, сотни, тысячи и сотни тысяч вентилей. В связи с этим существует следующее разделение ИС по группам.

ИС малой степени интеграции (МИС) – Small-scale integration (SSI) содержит несколько независимых вентилей, упакованных в одном корпусе. Входы и выходы вентилей связаны непосредственно с выводами микросхемы. Количество выводов обычно немногим более 10.

ИС средней степени интеграции (СИС) – Medium-sale integration (MSI) содержит от 10 до 100 вентилей в одном корпусе. Они обычно выполняю специфические элементарные операции, такие как операции декодеров, мультиплексоров, сумматоров. Это могут быть также триггеры, регистры, счетчики.

ИС большой степени интеграции (БИС) – Large-scale integration (LSI) содержат от 100 до нескольких тысяч вентилей. Это процессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти, программируемые логические устройства.

ИС сверх большой степени интеграции (СБИС) – Very large-scale integration (VLSI) содержат от тысяч до сотен тысяч вентилей. Это большие матрицы памяти, системы на кристаллах. Благодаря маленьким размерам и низкой стоимости, СБИС схемы совершили революцию в технологии проектирования компьютерных систем.

На рис. 3.37 приведены примеры микросхем МИС, выполненных по ТТЛ технологии. Часто используют обозначения микросхем по ее содержимому, например: для микросхемы типа 7404 – 6×1НЕ (6 инверторов в одном корпусе), для микросхемы типа 7400 – 4×2И-НЕ (4 двухвходовых элемента И-НЕ).

Рисунок 2.37 – Примеры микросхем МИС, выполненных по ТТЛ-технологии

На рис. 3.38 приведены примеры микросхем МИС, выполненных по КМОП-технологии.

Рисунок 2.38 – Примеры микросхем МИС, выполненных по КМОП-технологии

МИС и СИС схемы до сих пор производятся и используются, например, для обвязки микроконтроллеров (обвязка – внешняя вспомогательная схема, например, мультиплексор, позволяющий записывать в различные устройства адрес и данные, снимаемые с одних и тех же выходов микроконтроллера).

Здесь можно упомянуть еще об одном критерии оценки аппаратурных затрат. Это К – число корпусов. Используется данный критерий для оценки аппаратурных затрат для схем МИС и СИС. Располагаясь на плате, эти схемы занимают определенную часть ее площади. Чем меньше часть, занимаемая этими схемами, тем дешевле устройство. Для оценки аппаратурных затрат БИС и СБИС схем используется уже рассмотренный критерий Квайна C_b.

Позитивная и негативная логика

До сих пор мы рассматривали позитивную логику, когда высокому уровню напряжения H соответствует логическая 1, низкому уровню напряжения L соответствует логический 0. Использование низкого уровня L для представления логической 1, а высокого уровня H для представления логического 0 определяет негативную логику (рис. 2.39).

Рисунок 2.39 – Негативная и позитивная логика

Термин позитивная и негативная логика несколько обманчивы, поскольку оба сигнала могут быть позитивными или негативными

Далее мы не будем более касаться негативной логики и будем все рассматривать с точки зрения позитивной логики.

Рассмотрим ТТЛ вентиль как на рис. 2.40

Рисунок 2.40 – ТТЛ вентиль позитивной логики

Это описание физического поведения вентиля, когда H=3.5 В, а L=0 В. Таблица истинности этого вентиля предполагает позитивную логику, т.е Н=1, L=0. Очевидно, что это вентиль И (рис. 2.41).

Рисунок 2.41 – ТТЛ вентиль И позитивной логики

Для перехода к негативной логике (т.е Н=0, L=1) вентиля (рис. 2.40), необходимо заменить в таблице истинности 0 на 1, 1 на 0, а функцию на двойственную ей (в данном случае это функция ИЛИ). Т.е. такой вентиль интерпретируется как вентиль И в позитивной логике или как вентиль ИЛИ в негативной (рис. 2.42).

Рисунок 2.42 – ТТЛ вентиль ИЛИ негативной логики

Маленькие треугольники на входах и выходах вентиля говорит о том, что подразумевается негативная логика.