MOS集成电路系统设计举例及逻辑结构详解

MOS集成电路系统设计举例

以台式电子计算机为例，来说明用MOS集成电路构成的系统的设计。

因MOS集成电路所具备的特点与台式计算机对集成电路化的要求相吻合，所以二者都得到了飞速的发展。这里所举的台式计算机的例子是研究MOS集成电路和机器设计的关系的最简单的例子。

一般说来，集成电路台式计算机的设计程序如下。

（1）编制各种等级的计算机功能一览表，针对所要求的功能决定机器的规格（参见表3.1）。

（2）分析计算机的基本结构，制作电子线路部分的框图（参见图3.1）。

（3）分析框图中的基本电路，算出构成各框图所需的电路数目，同时分析各框图的特点、与其它框图的联系，编制框图组成一览表（参见表3.2）。

准备好这些参考资料后，根据这些参考资料选择适合各框图特点的MOS集成电路，亦即采取某种方法设计出逻辑电路的结构。

（1）定时信号发生装置

台式电子计算机一般采用以串行同步型二一十进制为基准的逻辑电路方式，所以应该有生成执行各种节拍的信号，即同步信号和定时信号。其中主要有：时钟脉冲ф 、位时间信号ti、数字信号周期Tj、字时间信号等。这些信号可以以自激多谐振荡器为基础，用编码型计数器及译码电路产生。但从提高集成度，灵活适应位数的变化等要求方面来考虑，多采用环形计数方式。

（2）小数点控制装置

这是存贮并控制数字寄存器的小数点位置的装置。在加减法运算时，它使被加（减）数和加（减）数的小数点位置对齐；在乘法和除法中，它能计算被运算数的小数位数与运算数的小数位数之和（或差）。小数点的位置采用小数位数数字化的形式表示最为有效，例如16位计算机，多用能够处理数值0~±15的串行同步式纯二进制加减法装置来构成。当然也有在变址数字寄存器的最高位设小数点专用位，用数字运算装置进行上述运算操作的方法，但在采用中规模集成电路时，前一种电路有利于把这部分集中成一个装置。

（3）运算用寄存器

用串行同步式移位寄存器组成。移位寄存器分为动态型和静态型，还可以用运算方式加以区分。它的特点是输入端数目极少，很适合于集成电路化，而且内部电路简单、功耗低，易于提高集成度。另外，在动态型的场合，一般将逐次存贮用的反馈环和交换新信息用的门电路等都包括在内，将移位寄存器的系统做成集成电路。

（4）运算装置

台式计算机的运算装置大体上可分为供四则计算用的十进制加减法装置及开方计算等的程序块运算专用门电路群。前者最好是做成串行同步式二-十进制加减法器，只用正逻辑信号，设法减少整个系统的面积。后者首先考虑自由度高，要求能够灵活地进行取舍。

（5）判断装置

是检测信息状态的装置。例如，它可以判断寄存器最高位的内容是否为零。输入信号由信息选通电路的输出信号和比较数字选通电路的输出信号两者构成，装置应该是重合检测电路。此装置与上述各装置不同，要求有较高的自由度。

（6）程序装置

台式计算机的运算操作，是将各条运算分解为移位、加减、转移、判断四道基本操作，并把这些基本操作按适当的顺序组合并加以控制。这类按顺序组合并进行程序控制的装置就是程序装置。可用二极管阵列，也可用与非门，但一般要求规格不要过分死板，用计数器型控制装置构成这部分的方法对小规模集成电路很不适用。然而，使用大规模集成电路时，也可用计数器型控制装置构成这部分电路。

（7）输出装置

输出装置多采用数码显示管，下面对此进行讨论。由于数字存贮用寄存器都是串行同步式，所以一般采用分时方式选择数码显示管的电极，只在各位的最初时间将串行寄存器的输出电压加在显示电极上，即采用与显示管“位”位置数值相应的显示方式。

将这种装置做成集成电路时必须考虑下述问题。

1）高耐压开关电路。

2）逻辑门电路与高耐压开关电路的组合。

3）采取措施防止各独立电路遭到破坏。

（8）输入装置

台式计算机的输入装置是按键开关，但将这种按键开关的输出变换成电子信号时，应仔细考虑消除机械开关振动影响的方法，同时也应充分考虑与计算机同步的电子信号的变换问题。

如上所述，在充分分析构成台式计算机的各个部件的特点，表3.2所示的各装置所需元件的比重以及由图3.1的框图得到的各装置之间的信号来往关系之后，才能进行使用MOS集成电路的系统设计。为参考起见，表3.2的最右边一栏列出了采用典型集成电路时的元件明细表。当采用MOS集成电路时，要根据便于功能划分的要求，研制适合MOS结构的集成电路，设法提高整个计算机的集成度。

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