MOS集成電路系統設計舉例及邏輯結構詳解

MOS集成電路系統設計舉例

以臺式電子計算機為例，來說明用MOS集成電路構成的系統的設計。

因MOS集成電路所具備的特點與臺式計算機對集成電路化的要求相吻合，所以二者都得到了飛速的發展。這里所舉的臺式計算機的例子是研究MOS集成電路和機器設計的關系的最簡單的例子。

一般說來，集成電路臺式計算機的設計程序如下。

（1）編制各種等級的計算機功能一覽表，針對所要求的功能決定機器的規格（參見表3.1）。

（2）分析計算機的基本結構，制作電子線路部分的框圖（參見圖3.1）。

（3）分析框圖中的基本電路，算出構成各框圖所需的電路數目，同時分析各框圖的特點、與其它框圖的聯系，編制框圖組成一覽表（參見表3.2）。

準備好這些參考資料后，根據這些參考資料選擇適合各框圖特點的MOS集成電路，亦即采取某種方法設計出邏輯電路的結構。

（1）定時信號發生裝置

臺式電子計算機一般采用以串行同步型二一十進制為基準的邏輯電路方式，所以應該有生成執行各種節拍的信號，即同步信號和定時信號。其中主要有：時鐘脈沖ф 、位時間信號ti、數字信號周期Tj、字時間信號等。這些信號可以以自激多諧振蕩器為基礎，用編碼型計數器及譯碼電路產生。但從提高集成度，靈活適應位數的變化等要求方面來考慮，多采用環形計數方式。

（2）小數點控制裝置

這是存貯并控制數字寄存器的小數點位置的裝置。在加減法運算時，它使被加（減）數和加（減）數的小數點位置對齊；在乘法和除法中，它能計算被運算數的小數位數與運算數的小數位數之和（或差）。小數點的位置采用小數位數數字化的形式表示最為有效，例如16位計算機，多用能夠處理數值0~±15的串行同步式純二進制加減法裝置來構成。當然也有在變址數字寄存器的最高位設小數點專用位，用數字運算裝置進行上述運算操作的方法，但在采用中規模集成電路時，前一種電路有利于把這部分集中成一個裝置。

（3）運算用寄存器

用串行同步式移位寄存器組成。移位寄存器分為動態型和靜態型，還可以用運算方式加以區分。它的特點是輸入端數目極少，很適合于集成電路化，而且內部電路簡單、功耗低，易于提高集成度。另外，在動態型的場合，一般將逐次存貯用的反饋環和交換新信息用的門電路等都包括在內，將移位寄存器的系統做成集成電路。

（4）運算裝置

臺式計算機的運算裝置大體上可分為供四則計算用的十進制加減法裝置及開方計算等的程序塊運算專用門電路群。前者最好是做成串行同步式二-十進制加減法器，只用正邏輯信號，設法減少整個系統的面積。后者首先考慮自由度高，要求能夠靈活地進行取舍。

（5）判斷裝置

是檢測信息狀態的裝置。例如，它可以判斷寄存器最高位的內容是否為零。輸入信號由信息選通電路的輸出信號和比較數字選通電路的輸出信號兩者構成，裝置應該是重合檢測電路。此裝置與上述各裝置不同，要求有較高的自由度。

（6）程序裝置

臺式計算機的運算操作，是將各條運算分解為移位、加減、轉移、判斷四道基本操作，并把這些基本操作按適當的順序組合并加以控制。這類按順序組合并進行程序控制的裝置就是程序裝置?？捎枚O管陣列，也可用與非門，但一般要求規格不要過分死板，用計數器型控制裝置構成這部分的方法對小規模集成電路很不適用。然而，使用大規模集成電路時，也可用計數器型控制裝置構成這部分電路。

（7）輸出裝置

輸出裝置多采用數碼顯示管，下面對此進行討論。由于數字存貯用寄存器都是串行同步式，所以一般采用分時方式選擇數碼顯示管的電極，只在各位的最初時間將串行寄存器的輸出電壓加在顯示電極上，即采用與顯示管“位”位置數值相應的顯示方式。

將這種裝置做成集成電路時必須考慮下述問題。

1）高耐壓開關電路。

2）邏輯門電路與高耐壓開關電路的組合。

3）采取措施防止各獨立電路遭到破壞。

（8）輸入裝置

臺式計算機的輸入裝置是按鍵開關，但將這種按鍵開關的輸出變換成電子信號時，應仔細考慮消除機械開關振動影響的方法，同時也應充分考慮與計算機同步的電子信號的變換問題。

如上所述，在充分分析構成臺式計算機的各個部件的特點，表3.2所示的各裝置所需元件的比重以及由圖3.1的框圖得到的各裝置之間的信號來往關系之后，才能進行使用MOS集成電路的系統設計。為參考起見，表3.2的最右邊一欄列出了采用典型集成電路時的元件明細表。當采用MOS集成電路時，要根據便于功能劃分的要求，研制適合MOS結構的集成電路，設法提高整個計算機的集成度。

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