Методика синтеза комбинационных схем

Комбинационными схемами называют схемы, выходные сигналы которых в каждый момент времени определяются действующей в данный момент времени комбинацией входных сигналов (аргументов) и не зависят от значений входных сигналов (аргументов), действовавших в предшествующие моменты времени.

Последовательность логического синтеза комбинационной схемы целесообразно разбить на ряд этапов:

1 этап. Анализ технического задания;

2 этап. Выбор элементной базы. Выбор серии ИС определяется требованиями, предъявляемыми к электрическим параметрам: потребляемая мощность, быстродействие, помехоустойчивость и т.д.;

3 этап. Формализация задания. Формализация предполагает составление булева выражения (логической функции или ФАЛ), описывающего работу комбинационной схемы, или построение таблицы истинности.

Часто встречающий способ задания работы схемы – объяснение на понятийном уровне (словесное описание). При таком описании используются неформальные термины, допускающие неоднозначную его трактовку.

Цель этапа – формализация задания. При этом нужно определить значение логической функции для каждой комбинации значений ее аргументов, при необходимости спорные или неоднозначные моменты уточнить с заказчиком. Необходимо иметь в виду, что наиболее трудно обнаруживаемые и устраняемые ошибки проектирования возникают именно на этапе формализации.

Результат этапа – булево выражение (ФАЛ), описывающее работу комбинационной схемы, или таблица истинности, неоднозначное толкование которых невозможно.

Если функция определена не на всех наборах аргументов, то доопределить ее нулями или единицами так, чтобы уменьшить число членов булева выражения. Наиболее удобно это сделать при наличии таблицы истинности.

4 этап. Минимизация логической функции. По полностью определенной таблице истинности составляется совершенная дизъюктивная нормальная форма (СДНФ) или совершенная конъюктивная нормальная форма (СКНФ). Если рассматривается несколько вариантов доопределения таблицы истинности, то в дальнейшем необходимо рассмотреть эти варианты СДНФ или СКНФ.

Минимизация СДНФ или СКНФ выполняется известными методами, в результате получается одна или несколько логических функций, из которых выбирается наилучшая. На этом этапе требуется решимость, чтобы прекратить поиск наилучшего варианта, которого, возможно, и не существует.

5 этап. Преобразование минимизированной логической функции. Преобразование производится так, чтобы представить логическую функцию в виде комбинации логических операций, выполняемых базовыми элементами, на которых будет реализована проектируемая схема.

6 этап. Синтез комбинационной схемы. Синтез схемы выполняется путем соответствующего соединения выбранных логических элементов, на входы которых подаются логические переменные (аргументы) или их инверсии.

Разработанная схема может быть представлена в соответствии с правилом, основанном на формулах де-Моргана, в двух вариантах: основном, на логической операции И, и дуальном (двойственном), на логической операции ИЛИ. Оба варианта равноправны, предпочтение одному из них отдается из следующих соображений:

- соотношение числа логических элементов И и ИЛИ в основном и дуальном вариантах схемы различно. При этом в различных сериях ИС элементы И и ИЛИ не эквивалентны по аппаратным затратам;

- в некоторых сериях ИС есть двухступенчатые элементы И-ИЛИ-НЕ, но отсутствуют двойственные им элементы ИЛИ-И-НЕ.

По этим причинам основной и дуальный варианты отличаются по объему необходимых аппаратных средств, по числу последовательно включенных элементов, то есть по значению задержки. Разработчик должен оценить оба варианта и выбрать более подходящий.