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.
Рис. 3.9. МИС из четырех вентилей
Каждый из этих вентилей имеет два входа и один выход, что требует 12 выводов. Кроме того, микросхеме требуются питание (Усс) 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 годы 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 не.
В настоящее время стало возможным помещать до 10 млн транзисторов на одну микросхему1. 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 ООО 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 комбинаторной. 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.