Томский межвузовский центр дистанционного образования
А.В. Шарапов
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Учебное пособие
T Q 1 | |||||
переходов | |||||
&D 3 |
|||||
ТОМСК – 2007
Рецензент: зав. кафедрой промышленной и медицинской электроники Томского политехнического университета, д-р техн. наук, проф. Г.С. Евтушенко; начальник отдела ФГУП «НПЦ «Полюс», д-р техн. наук Ю.М. Казанцев
Корректор: Тарасова Л.К.
Шарапов А.В.
Микроэлектроника: Учебное пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2007. - 158 с.
Излагаются принципы построения и функционирования логических элементов, дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, цифровых компараторов, триггеров, счетчиков, регистров, микросхем памяти. Рассмотрены примеры синтеза цифровых устройств комбинационного типа и цифровых автоматов.
Пособие предназначено для студентов вузов радиоэлектронного профиля и содержит краткий конспект лекций, примеры решения задач и компьютерный лабораторный практикум по цифровой схемотехнике. Студенты дистанционной формы обучения выполняют две лабораторные работы, одну компьютерную контрольную работу и сдают компьютерный экзамен.
Шарапов А.В., 2007Томский межвузовский центр
дистанционного образования, 2007
1 Введение.......................................................................................... | ||
2 Основные понятия микроэлектроники.................................. | ||
Виды сигналов......................................................................... | ||
Классификация микросхем и их условные обозначения.... | ||
3 Математические основы цифровой электроники................. | ||
Позиционные системы счисления......................................... | ||
Таблица истинности................................................................ | ||
Совершенная дизъюнктивная нормальная форма............... | ||
Основные законы булевой алгебры....................................... | ||
Диаграммы Венна................................................................... | ||
Карты Карно............................................................................ | ||
Этапы синтеза цифрового устройства................................... | ||
Примеры синтеза цифровых устройств................................ | ||
Мажоритарный логический элемент..................................... | ||
4 Базовые логические элементы.................................................. | ||
Классификация логических элементов................................. | ||
Базовый элемент ТТЛ............................................................. | ||
Логический расширитель....................................................... | ||
Элемент с открытым коллектором........................................ | ||
Элемент с Z-состоянием на выходе....................................... | ||
Базовый элемент ТТЛШ......................................................... | ||
Базовая схема ЭСЛ.................................................................. | ||
Базовые элементы КМОП...................................................... | ||
4.10 Основные характеристики логических элементов............. | ||
4.11 Примеры микросхем логических элементов...................... | ||
4.12 Микросхемы на основе арсенида галлия............................ | ||
5 Цифровые устройства комбинационного типа..................... | ||
Шифратор................................................................................ | ||
Дешифратор............................................................................. | ||
Преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный, | ||
и наоборот............................................................................... | ||
Дешифратор для управления семисегментным | ||
индикатором........................................................................... | ||
Преобразователи кода Грея.................................................... | |||
Мультиплексор........................................................................ | |||
Реализация функций с помощью мультиплексора.............. | |||
Двоичный сумматор............................................................... | |||
Двоично-десятичный сумматор............................................. | |||
Схемы вычитания.................................................................. | |||
Преобразователь прямого кода в дополнительный........... | |||
Цифровой компаратор.......................................................... | |||
Контроль четности................................................................ | |||
Примеры построения комбинационных цифровых | |||
устройств................................................................................ | |||
6 Цифровые устройства последовательностного типа............ | |||
Классификация триггеров...................................................... | |||
Асинхронный RS-триггер...................................................... | |||
Тактируемый RS-триггер....................................................... | |||
D-триггеры............................................................................... | |||
T-триггер.................................................................................. | |||
JK-триггер................................................................................ | |||
Классификация счетчиков...................................................... | |||
Асинхронный двоичный счетчик.......................................... | |||
Асинхронный двоично-десятичный счетчик........................ | |||
Синхронный двоичный счетчик.......................................... | |||
Реверсивные счетчики.......................................................... | |||
Счетчики с произвольным модулем счета.......................... | |||
Регистры сдвига.................................................................... | |||
Регистры памяти................................................................... | |||
Универсальные регистры..................................................... | |||
Кольцевой регистр................................................................ | |||
Кольцевой счетчик................................................................ | |||
Счетчики на регистрах сдвига............................................. | |||
Примеры построения цифровых устройств | |||
последовательностного типа............................................... | |||
7 Полупроводниковые запоминающие устройства............... | |||
Классификация запоминающих устройств......................... | |||
ПЗУ масочного типа............................................................. | |||
Однократно программируемые ПЗУ................................... | |||
Перепрограммируемые ПЗУ................................................ | |||
ОЗУ статического типа......................................................... | ||
ОЗУ динамического типа..................................................... | ||
Примеры микросхем памяти................................................ | ||
Организация блока памяти................................................... | ||
8 Примеры решения задач......................................................... | ||
9 Компьютерный практикум по цифровой схемотехнике... | ||
10 Варианты творческих заданий............................................. | ||
11 Пример выполнения творческого задания......................... | ||
Список литературы...................................................................... | ||
Приложение. Условные графические обозначения | ||
микросхем .................................................................................... |
||
1 ВВЕДЕНИЕ
Электроникой называют раздел науки и техники, занимающийся:
– исследованием физических явлений и разработкой приборов, действие которых основано на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме или газе;
– изучением электрических свойств, характеристик и параметров названных приборов ;
– практическим применением этих приборов в различных устройствах и системах.
Первое из указанных направлений составляет область физической электроники . Второе и третье направления составляют областьтехнической электроники.
Схемотехника электронных устройств - это инженерное воплощение принципов электроники для практической реализации электронных схем, призванных выполнять конкретные функции генерирования, преобразования и хранения сигналов, несущих информацию в слаботочной электронике и функции преобразования энергии электрического тока в сильноточной электронике.
Исторически электроника явилась следствием возникновения и быстрого развития радиотехники . Радиотехнику определяют как область науки и техники, занимающуюся исследованиями, разработкой, изготовлением и применением устройств и систем, предназначенных для передачи информации по радиочастотным каналам связи.
В основе радиотехники лежат научные открытия XIX века: работы М. Фарадея (англ.), выяснившего закономерности взаимодействия электрического и магнитных полей; Дж. Максвелла (англ.), обобщившего элементарные законы электромагнетизма и создавшего систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Дж. Максвелл теоретически предсказал новый вид электромагнитных явлений - электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Г. Герц (нем.) экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн.
Первый радиоприемник был изобретен, сконструирован и успешно испытан в 1895 г. А.С. Поповым (рус.). Годом позже радиосвязь осуществил Г. Маркони (итал.), запатентовавший свое изобретение и ставший Нобелевским лауреатом в 1909 году.
С этих пор развитие радиотехники определялось развитием
ее элементной базы, которая в основном определяется достижениями электроники. Интересно вкратце проследить за основными этапами развития ее элементной базы.
Простейший электронный прибор - вакуумный диод - был изобретен Т. Эдиссоном (амер.) в 1883 г., который вмонтировал металлический электрод в баллон электрической лампы накаливания и зарегистрировал ток одного направления во внешней цепи. В 1904 г. Дж. Флемминг (англ.) впервые применил вакуумный диод в качестве детектора в радиоприемнике. Усилительный электровакуумный прибор - триод - был изобретен Луи де Форестом (амер.) в 1906 г. С этих пор в течение первой четверти ХХ столетия в ряде научных лабораторий многих стран мира происходило медленное созревание технологий электровакуумных приборов. В России это направление возглавил руководитель нижегородской лаборатории М.А. Бонч-Бруевич. Уже в 1922 г. сотрудники этой лаборатории построили в Москве первую
в мире радиовещательную станцию им. Коминтерна мощностью 12 кВт. А к 1927 г. было построено 57 таких станций. В 1925 г. была создана генераторная лампа мощностью 100 кВт. В 1933 г. в России вступила в строй мощнейшая в мире (500 кВт) радиостанция. Первый телевизионный передатчик мощностью 15 кВт введен в строй в Москве в 1948 г. А.И. Берг в 1927–1929 гг. создал классическую теорию передатчиков. В.А. Котельниковым в период с 1933 по 1946 гг. доказана теорема квантования по времени, заложившая основу цифровых методов обработки сигналов, показана возможность радиосвязи на одной боковой полосе и опубликована теория потенциальной помехоустойчивости.
Период с 1920 по 1955 гг. был эрой ламповой электроники. Первый полупроводниковый триод - транзистор - создан
в 1948 г. Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.). С 1955 г. начинается эра полупроводниковой электроники. Первые интегральные схемы появились в 1960-е годы. Первый микропроцессор датируется 1971 г.
В 1998 году транзистор отметил свой полувековой юбилей:
в последний июньский день 1948 года американская фирма «Bell telephon laboratoris» продемонстрировала общественности только что изобретенный электронный прибор, о котором назавтра «НьюЙорк Таймс» сообщила буднично и без пафоса: «Рабочие элементы прибора состоят из двух тонких проволочек, прижатых к кусочку полупроводникового вещества... Вещество усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток. Прибор под названием «транзистор» в некоторых случаях можно использовать вместо электронных ламп».
Да, именно так выглядел первый транзистор, и неудивительно, что даже специалисты не сразу смогли разглядеть его триумфальное будущее. А между тем представленный прибор мог усиливать и генерировать электрические сигналы, а также выполнять функцию ключа, по команде открывающего или запирающего электрическую цепь. И, что принципиально важно, все это осуществлялось внутри твердого кристалла, а не в вакууме, как это происходит в электронной лампе. Отсюда следовал целый набор потенциальных достоинств транзистора: малые габариты, механическая прочность, высокая надежность, принципиально неограниченная долговечность. Через три-четыре года, когда были разработаны значительно более совершенные конструкции транзисторов, все эти ожидаемые достоинства начали становиться реальностью.
Честь открытия транзисторного эффекта, за которое в 1956 году была присуждена Нобелевская премия по физике, принадлежит У. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну. Характерно, что все трое были блистательными физиками, целенаправленно шедшими к этому открытию. Шокли, руководитель группы исследователей, еще в предвоенные годы читал лекции по квантовой теории полупроводников и подготовил фундаментальную монографию, которая надолго стала настольной книгой для специалистов в этой области. Высочайшая квалификация Бардина как физика-теоретика подтверждена не только изобретением транзистора и предсказанием ряда эффектов в поведении полупроводников, но и тем, что позднее, в 1972 году, совместно с двумя другими исследователями он был повторно удостоен Нобелевской премии - теперь за создание теории сверхпроводимости. Браттейн, самый старший в группе, к моменту изобретения
транзистора имел за плечами пятнадцатилетний опыт исследования поверхностных свойств полупроводников.
Хотя само открытие транзисторного эффекта явилось до некоторой степени счастливой случайностью (говоря сегодняшним языком, они пытались изготовить полевой транзистор, а изготовилибиполярный ), теоретическая подготовка исследователей позволила им практически мгновенно осознать открытое и предсказать целый ряд гораздо более совершенных устройств. Иными словами, создание транзистора оказалось под силу лишь физикам, которые по необходимости владели еще и минимумом изобретательских навыков.
У нас в стране транзистор был воспроизведен в 1949 году во фрязинской лаборатории, возглавляемой А.В. Красиловым, крупным ученым, обладающим широчайшей эрудицией.
Первые транзисторы изготавливались на основе полупроводника германия и допускали рабочую температуру лишь до 70 °С, а этого во многих прикладных задачах было недостаточно.
Во второй половине пятидесятых годов в развитии транзисторов произошел решающий качественный скачок: вместо германия стали использовать другой полупроводник - кремний. В итоге рабочая температура транзисторов выросла до 120–150 °С, при этом их характеристики сохраняли высокую стабильность, а срок службы приборов стал практически бесконечным. Но, пожалуй, главное заключалось в том, что в 1959 году американской фирмой «Firechild» применительно к кремнию была разработана так называемаяпланарная технология. Принципиальным здесь было то, что тончайшая пленка диоксида кремния, выращенная при высокой температуре на поверхности кристалла, надежно защищает кремний от агрессивных воздействий и является отличным изолятором. В этой пленке создают «окна», через которые, также при высокой температуре, в полупроводник вводят легирующие добавки, - так изготавливаются фрагменты будущего прибора. Затем на изолированную от объема поверхность напыляют тонкопленочные алюминиевые токоподводы к активным зонам - и транзистор готов. Особенностями процесса является то, что все воздействия на пластину осуществляются в одной плоскости и что обеспечивается одновременная обработка тысяч и миллионов
транзисторов на пластине, а это ведет к высочайшей степени воспроизводимости изделий и высокой производительности.
Методами планарной технологии легко обеспечить изоляцию транзисторов от подложки и друг от друга, а отсюда лишь шаг до создания интегральной схемы (микросхемы ), т. е. созда-
ния электронной схемы с активными и пассивными компонентами и их соединениями на едином кристалле в едином технологическом процессе. Этот шаг был сделан в том же 1959 году. Мир вступил в эру микроэлектроники .
Типичная микросхема представляет собой кремниевый кристаллик (чип), в приповерхностной области которого изготовлено множество транзисторов, соединенных между собой пленочными алюминиевыми дорожками в заданную электрическую схему. В первой микросхеме «множество» состояло всего лишь из 12 транзисторов, но уже через два года уровень интеграции превысил сто элементов на чипе, а к середине 60-х годов стали доминировать большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов, затем - сверхбольшие (СБИС) и т. д.
Микросхема обладает тем большей информационной мощностью, чем большее количество транзисторов она содержит, т. е. чем выше плотность интеграции (плотность упаковки активных элементов в кристалле). А она определяется минимальными размерами активного элемента и площадью кристалла, которые способна воспроизводить технология.
Изложенные в данном учебном пособии основы цифровой схемотехники формируют схемотехнические навыки построения цифровых устройств на базе интегральных микросхем. Изучается принцип работы простейших логических элементов и методы проектирования на их основе преобразователей кодов, сумматоров, цифровых коммутаторов, триггеров, регистров, счетчиков, микросхем памяти. Проверить работу многих устройств можно путем компьютерного моделирования с помощью пакета Electronics Workbench.
Рекомендуемый список литературы включает прежде всего справочники по цифровым интегральным микросхемам. Из других источников, используемых в данном учебном пособии, хочется отметить работы доцентов ТУСУРа Потехина В.А. и Шибаева А.А. , которым автор выражает искреннюю благодарность.
Министерство Российской Федерации
Томский политехнический университет
__________________________________________________________________
Е.Л. Собакин
ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Учебное пособие
УДК 681.325.6
Собакин Е.Л. Цифровая схемотехника . Учеб. пособие. Ч.I. Томск: Изд. ТПУ, 2002. - 160с.
В пособии изложены основные вопросы курса лекций для студентов специальности 210100 Управление и информатика в технических системах. Пособие подготовлено на кафедре автоматики и компьютерных систем ТПУ, соответствует учебной программе дисциплины и предназначено для студентов института дистанционного образования.
Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета
Рецензенты:
В.М. Дмитриев профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники Томского университета систем управления и радиоэлектроники;
С.И. Королёв директор ТОО НПО «Спецтехаудитсервис»,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник.
Темплан 2002
Томский политехнический университет, 2002
Введение
Данное учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210100 "Информатика и управление в технических системах". Оно составлено на основе курса лекций, прочитанных автором в Томском политехническом университете в течение ряда лет, и посвящено систематическому изложению методов формализованного построения устройств цифровой техники на микросхемах широкого применения.
Дисциплину "Цифровая схемотехника" следует рассматривать как продолжение курса «Электроника», который студенты должны освоить предварительно, так как требуются знания элементной базы аналоговых электронных устройств.
Большинство современных систем автоматики, вычислительные системы, системы передачи и обработки информации выполняются на устройствах цифровой техники либо полностью, либо частично. Поэтому знание принципов применения цифровых устройств и построения на их основе систем различного назначения имеет актуальное значение и большую практическую ценность как в инженерной деятельности, так и при исследованиях методологического характера.
Материал пособия условно можно разделить на три части: 1) Основы микроэлектроники; 2) Комбинационные устройства цифровой техники; 3) Последовательностные логические устройства цифровой техники.
Приступая к освоению курса, следует изучать материал в порядке перечисления указанных частей, так как последующий материал основан на знании предыдущего, и изменение последовательности может привести к затруднениям в его усвоении. Это усугубляется ещё и тем, что в иных учебных пособиях и специальной технической литературе используются различные термины и понятия для пояснения одних и тех же явлений, процессов, выполняемых преобразований и т.д. Различие же в используемых понятиях или их некорректность ведёт к непониманию сущности излагаемого материала и, как следствие, возникновению трудностей в его усвоении.
Первые два из указанных разделов вошли в первую часть настоящего пособия (Ч1). Третьему разделу посвящено отдельное пособие.
В1 . Применение цифровых устройств
В настоящее время, в связи с созданием и широким внедрением в инженерную практику микропроцессорных устройств и систем, не ослабевает и вновь стимулируется интерес к цифровым методам обработки и передачи информации. Названные методы, в свою очередь, придают системам ряд положительных свойств и качеств. Повышается верность передаваемой информации, достигается высокая скорость и производительность систем обработки информации, обеспечивается приемлемая их стоимость, высокая надёжность, малое потребление энергии и т. д.
Решаемые этими системами задачи весьма разнообразны и предопределяют функции устройств, образующих конкретную систему. Поэтому устройства и их функции целесообразно рассматривать именно в свете тех задач, которые решаются системами и, в частности, тех подзадач, которые выполняются отдельными устройствами либо блоками.
Основными типовыми задачами , возникающими при автоматическом или автоматизированном управлении и контроле производственными или иными процессами, являются:
сбор информации (её получение);
преобразование информации (масштабирование, нормализация, фильтрация, кодирование и т. д.);
передача-приём информации;
обработка и использование информации;
хранение информации.
В зависимости от целевого назначения и основных функций различают:
Системы автоматического (либо автоматизированного) управления и контроля.
Системы передачи информации.
Системы обработки информации (вычислительные системы).
Чтобы уяснить взаимосвязь указанных задач, место и роль электронных цифровых устройств, используемых в названных системах, рассмотрим обобщённые структурные схемы этих систем и функциональное назначение их составных частей.
В1.1. Системы автоматического управления
Управлять означает знать состояние (положение) управляемого объекта и в соответствии с заданным алгоритмом (алгоритмом управления ) воздействовать на объект, стремясь устранить возникающие отклонения.
Поэтому управление в общем случае связано с выполнением следующих действий:
получение информации о состоянии объекта;
сопоставление полученной информации с заданной информацией о состоянии объекта;
формирование управляющих сигналов (воздействий);
воздействие на объект с целью приведения его в требуемое состояние.
В соответствии с перечисленными действиями в систему автоматического управления (САУ) в общем случае должны входить информационно-измерительное устройство, устройство управления и исполнительное устройство (рис. В1).
Информационно-измерительное устройство (ИИУ) получает информацию об объекте управления (ОУ) и предварительно её обрабатывает. Получение информации заключается в формировании первичных сигналов, значения которых пропорциональны значениям параметров, характеризующих состояние ОУ. Под объектом можно понимать как отдельную производственную установку, так и производственный процесс в целом. А под параметрами "выходные координаты" объекта. Это могут быть, например, значения температуры, давления, расхода материалов или энергии и тому подобное. Поскольку большинство таких координат-параметров представлены в аналоговой форме и характеризуются бесконечным множеством значений, то сигналы должны быть нормализованы по своим параметрам, масштабированы и иметь унифицированную форму.
Поэтому в ИИУ должны быть первичные измерительные преобразователи и датчики, аналого-цифровые преобразователи и другие функциональные узлы, с помощью которых выполняются следующие преобразования:
значений физических величин в унифицированные аналоговые сигналы постоянного или переменного тока;
масштабирование или нормирование сигналов по уровню и форме;
преобразование аналоговых сигналов в дискретные (цифровые) сигналы;
кодирование сигналов и некоторые другие преобразования.
Сигналы о текущих значениях координат поступают на устройство управления (УУ). В функции этого устройства входит сравнение текущих значений с заданными значениями координат и формирование по результатам сравнения сигналов управления (управляющих сигналов). Заданные значения могут вводиться человеком-оператором либо автоматически программно. В первом случае в качестве УУ может использоваться автоматический регулятор или несколько автоматических регуляторов, уставки которым определяет и задаёт человек. Во втором случае УУ представляет собой программный автомат мини- либо микроЭВМ и роль человека-оператора сводится к вводу программы и первоначальному пуску системы.
Для выполнения указанных функций от УУ требуется выполнять арифметические и логические операции по вычислению значений и сравнению сигналов, кратковременному и долговременному запоминанию (хранению) сигналов и формированию управляющих унифицированных сигналов. Последние содержат информацию, на основе которой далее формируются воздействия на объект управления (управляющие воздействия), приводящие его в требуемое состояние.
Непосредственно воздействия требуемой физической природы формирует исполнительное устройство (ИУ). Оно преобразует управляющие сигналы, например, в виде напряжения постоянного или импульсного тока, в скорость вращения исполнительного двигателя, в механическое перемещение клапана на паропроводе и так далее. Для выполнения этих преобразований потребуются: преобразователи цифровых сигналов в аналоговые; преобразователи электрических сигналов в неэлектрические; усилительные устройства и т.д. При этом в качестве промежуточных могут потребоваться преобразователи кодов цифровых сигналов, либо формы представления сигналов. Например, кодов двоичных чисел в пропорциональное количество импульсов, однофазных сигналов в многофазные, используемые для управления шаговыми двигателями и т. д.
Под действием возмущающих воздействий объект выходит из нормального состояния (режима), а САУ возвращает его в требуемый (нормальный) режим работы. Процесс управления протекает в реальном масштабе времени, то есть со скоростью, определяемой характером физических процессов. Если управляющие воздействия запаздывают во времени либо чрезмерны, то может возникнуть неустойчивый режим работы системы, при котором координаты объекта могут принять недопустимые значения и либо сам объект, либо отдельные устройства системы выйдут из строя возникнет аварийный режим. Поэтому в теории САУ основными являются проблемы обеспечения устойчивости и точности управления.
Большинство из перечисленных преобразований могут быть выполнены с помощью цифровых микроэлектронных устройств. Полностью цифровым является УУ, когда оно строится на основе управляющих микроЭВМ либо на цифровых микросхемах.
На цифровых микросхемах выполняются цифровые датчики физических величин, а так же частично аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов.
В1.2. Системы передачи информации (СПИ)
При увеличении расстояния между ИИУ и УУ (рис. В1), а также между УУ и ИУ, возникает задача передачи информации . Необходимость передачи информации на значительные расстояния возникает не только в пространственно развитых системах автоматического управления и контроля, но и в системах других видов связи (телеграфной, телефонной, телефаксной и др.). Кроме того, необходимость передачи информации возникает в вычислительных системах, системах передачи данных, телемеханических системах и т. д. Эта задача осложняется тем, что в процессе передачи по линиям связи искажаются параметры сигналов и это, в свою очередь, может привести к искажению информации к снижению её верности (вероятности правильного её приёма). Искажение же сигналов обусловлено действием помех , возникающих в линиях связи . Помехи, как правило, имеют случайный характер и по своим параметрам могут и не отличаться от параметров сигналов. Поэтому они "способны" искажать сигналы и даже "воспроизводить" информацию трансформировать передаваемое сообщение . Последнее самое нежелательное событие в передаче информации.
Чтобы обеспечить высокую верность и максимальную скорость (э ф фективность ) передачи информации, требуются дополнительные преобразования сигналов и специальные методы их передачи.
К таким преобразованиям относятся кодирование и обратная процедура декодирование информации (и сигналов). Кодирование есть процедура преобразования сообщения в сигнал . При этом преобразования осуществляются по определённым правилам, совокупность которых называется кодом .
Кодирование информации выполняется на передающей стороне, а декодирование на приёмной. Различают помехоустойчивое кодирование и эффективное . Цель помехоустойчивого кодирования построить (сфо р мировать) сигнал, менее подверженный действию помех, придать ему т а кую структуру, чтобы возникшие в процессе передачи ошибки на приёмной стороне можно было бы обнаружить либо исправить . И, тем самым, обеспечить высокую верность передачи.
Цель эффективного кодирования обеспечить максимальную ск о рость передачи информации, так как её ценность во многом определяется, насколько своевременно она получена . Согласно этому требованию закодированное сообщение должно нести требуемое количество информации и, в то же самое время, иметь минимальную длину, чтобы на передачу потребовалось минимум времени.
Передача сигналов (и информации) осуществляется по каналам связи . Канал связи это тракт (путь) независимой передачи сигналов от исто ч ника к соответствующему приёмнику (получателю) информации. Каналы связи образуются техническими средствами каналообразующей аппаратурой и так же, как и линии связи подвержены влиянию помех.
Одной из основных решаемых в СПИ задач является задача создания требуемого числа каналов связи. Эффективность и помехоустойчивость передачи во многом определяется используемыми каналами связи. Под помехоустойчивостью понимают способность системы (сигнала, кода) правильно выполнять свои функции в условиях действия помех .
Обычно одну и ту же систему можно использовать для передачи информации от многих источников к соответствующему числу приёмников (получателей). Поэтому образование требуемого числа каналов с необходимой помехозащищённостью возлагается на устройство связи. При этом в устройстве связи могут выполняться следующие преобразования: модуляция и демодуляция сигналов; усиление передаваемых в линию и принимаемых из л и нии связи сигналов; ограничение по уровню и частотному спектру сигналов и некоторые другие.
В зависимости от области использования (применения) СПИ возникает необходимость в дополнительных преобразованиях таких, как преобразование формы сигналов, их физической природы, нормирование параметров поступающих извне сигналов и сигналов, выдаваемых системой на внешние устройства; временное хранение передаваемых в канал связи и выдаваемых системой сигналов.
Перечисленные преобразования предопределяют функциональный состав передающей и приёмной аппаратуры систем передачи информации (рис.В2).
Как видно по схеме, передача осуществляется в одном направлении слева направо. Устройство ввода и первичного преобразования информации (УВПИ) преобразует поступающие от источников информации сигналы в унифицированные «первичные» сигналы, которые невозможно непосредственно передать на большие расстояния. Обычно, эти унифицированные сигналы представляют собой напряжение постоянного тока с фиксированными значениями по уровню. В блоке УВПИ первичные сигналы сохраняются на время передачи (в буферном запоминающем устройстве), после чего стираются из памяти. Кодирующее устройство (КУ) преобразует первичные сигналы в кодированные сигналы, имеющие определённую структуру и формат, допускающие возможность передачи их (сигналов) на большие расстояния («телесигналы»). Как правило, это устройство является комбинационным, хотя в ряде случаев может быть выполнено и последовательностным (многотактным). Здесь реализуются логические и арифметические операции процедур кодирования.
Основным назначением устройства связи (рис. В2) является создание или организация каналов связи на предоставленной линии связи. Линия связи это материальная среда между передатчиком (Прд) и приёмником (Прм) системы. На рисунке условно показана двухпроводная линия электрической связи. Однако могут использоваться радиолинии и волоконно-оптические линии связи и другие. В зависимости от типа линии в Прд и Прм выполняются различные преобразования сигналов с целью согласования их параметров и характеристик с параметрами и характеристиками линии связи и преобразования, направленные на повышение помехоустойчивости сигналов.
На приёмной стороне принятые из линии связи кодированные сигналы вновь преобразуются декодирующим устройством (ДКУ) в первичные сигналы. При этом в принятых сигналах процедурами декодирования обнаруживаются и могут исправляться ошибки и, тем самым, обеспечивается требуемая верность передачи информации. А выходные преобразователи (ВП) преобразуют эти первичные сигналы в форму и вид (физическую природу), которую могут воспринимать получатели информации.
Следует отметить, что большинство функциональных «узлов» и «блоков», показанных на рис.В2, могут быть выполнены на цифровых микросхемах. Поэтому системы передачи информации, как правило, являются цифровыми.
В1.3. Системы обработки информации
(вычислительные системы)
Перечисленные выше типовые задачи могут быть решены и формализованы математическими и логическими методами. В свою очередь названные методы оперируют простейшими операциями (арифметическими или логическими), выполнением которых над некоторыми «исходными данными» получается новый результат, ранее неизвестный. Эта общность методов решения разнообразных задач по обработке информации позволила создать отдельный класс устройств и систем, целевым назначением которых (первоначально) была автоматизация вычислительных процедур электронные вычислительные машины (ЭВМ). На современном этапе развития вычислительной техники ЭВМ «превратились» в компьютеры, на основе которых строятся современные компьютерные системы обработки и передачи информации. Обобщённая структурная схема некоторой вычислительной системы приведена на рис.В3.
Обрабатываемые данные предварительно через устройство ввода Увв поступают на запоминающее устройство ЗУ , где сохраняются на всё время обработки. В этом же ЗУ хранится и программа обработки поступающей информации.
Программа работы системы так же, как и «данные», хранятся в запоминающем устройстве в виде многоразрядных двоичных чисел, записанных в ячейки ЗУ по определённым адресам (адресам ячеек памяти). Двоичные числа, совокупность которых отображает программу обработки данных, структурированы на определённое число частей, каждая из которых имеет определённое назначение. В простейшем случае имеются следующие части: 1) код операции, которую надо выполнить с двумя двоичными числами, отображающими значения «данных» и называемыми «операндами»; 2) адрес первого операнда; 3) адрес второго операнда. Совокупность этих частей образует «команду».
Работа ЭВМ заключается в последовательном выполнении команд, заданных программой. Координирует работу всех блоков во времени и управляет ими управляющее устройство УУ . А непосредственно логические и арифметические операции (действия) над операндами выполняет арифметико-логическое устройство АЛУ , которое по сигналу от УУ «код операции» каждый раз настраивается на выполнение конкретной операции.
Устройство управления расшифровывает поступившую от ЗУ команду (рис. В3 «очередная команда»), код операции направляет на АЛУ и оно готовится к выполнению соответствующей операции. Затем формирует сигналы выборки из ЗУ операндов (см. сигнал «Адреса данных») и определяет адрес очередной команды, которую следует выполнить на следующем такте работы ЭВМ («Адрес очередной команды»). По сигналам от УУ из ЗУ считываются операнды, и АЛУ выполняет необходимые действия. При этом образуется промежуточный результат («Результат операции»), который также сохраняет ЗУ. В зависимости от результата выполнения операции может появиться необходимость изменения последовательности выполнения команд, либо прекратить обработку данных, либо вывести оператору сообщения об ошибках. Для этой цели с АЛУ на УУ поступает сигнал «Признак результата». Процесс обработки введённых данных (информации) продолжается до тех пор, пока не будет извлечена команда «Конец вычислений», либо оператор по своему усмотрению не остановит процесс обработки данных.
Полученный результат обработки также хранится в ЗУ и может быть выведен через устройство вывода Увыв по окончании процесса обработки либо в ходе процесса, если это предусмотрено программой.
Для «общения» оператора с ЭВМ предусматриваются терминальные устройства ТУ , предназначенные для ввода оператором команд и других сообщений и для вывода оператору «сообщений» со стороны ЭВМ.
На рис.В3 не показаны связи управляющего устройства, обеспечивающие синхронизацию работы всех составных частей ЭВМ. Широкими стрелками отображается возможность параллельной передачи данных (одновременной передачи всех разрядов многоразрядных двоичных чисел).
Практически все показанные на рис.В3 блоки (кроме терминальных устройств) могут быть полностью выполнены только на цифровых интегральных микросхемах (ИМС). В частности, УУ, АЛУ и часть ЗУ (регистровая память СОЗУ) могут быть выполнены в виде одной ИМС большой степени интеграции. Названная совокупность блоков образует микропроцессор центральный процессор ЭВМ, выполненный средствами интегральной технологии на одном кристалле полупроводника.
Устройства ввода и вывода данных, как правило, состоят из буферных запоминающих регистров, служащих для временного хранения, соответственно, вводимых и выводимых данных и для согласования системы с внешними устройствами.
Запоминающее устройство (ЗУ) обычно разделяют на две части: оперативное ЗУ (ОЗУ) и постоянное ЗУ. Первое служит для хранения промежуточных результатов вычислений, его «содержимое» постоянно изменяется в процессе обработки данных. ОЗУ работает в режимах «считывания» и «записи» данных. А второе, постоянное ЗУ (ПЗУ), служит для хранения стандартных подпрограмм и некоторых системных (служебных) подпрограмм, управляющих процессами включения и выключения ЭВМ. Как правило, ПЗУ выполняется на программируемых пользователем ИМС ПЗУ (ППЗУ), либо заранее запрограммированных на заводах-изготовителях ИМС ПЗУ, либо перепрограммируемых пользователем ПЗУ (РеПЗУ). Обычно это энергонезависимые запоминающие устройства, в которых записанная информация не «разрушается» даже при их отключении от источника питания.
В состав АЛУ входят одноимённого названия ИМС, выполняющие логические и арифметические операции с двоичными числами, логические элементы и ряд других функциональных узлов, служащих для сравнения чисел цифровые компараторы, для увеличения быстродействия выполняемых арифметических операций, например «блоки ускоренного переноса» и т.д.
В состав УУ входят таймерные устройства, задающие тактовую частоту работы системы и, в конечном итоге, определяющие её производительность, дешифраторы кодов команд, программируемые логические матрицы, регистры, блоки микропрограммного управления, а также «порты» ввода-вывода.
Все перечисленные функциональные узлы выполняются в виде интегральных цифровых устройств.
Основными проблемами вычислительных систем являются, во-первых, повышение их производительности (быстродействия). И, во-вторых, обеспечение работы систем в реальном «масштабе» времени .
Первая проблема носит общесистемный характер и решается путём применения новой элементной базы и специальных методов обработки информации.
Вторая проблема возникает при использовании вычислительных систем для управления производственными процессами и заключается в том, что скорости протекания производственных и вычислительных процессов должны быть согласованы. Действительно, функционирование вычислительной системы (ВС) происходит в так называемом «машинном» времени, когда за единицу времени принимается некоторый фиксированный и неделимый интервал времени, называемый «тактом работы» ЭВМ или компьютера, тогда как реальные физические процессы, например технологические процессы, протекают в реальном времени, измеряемом в секундах, долях секунды, в часах и т.д. Чтобы применение ЭВМ стало возможным, необходимо скорость обработки информации сделать не менее скорости протекания реальных физических процессов. Решение этой проблемы достигается организацией специальных методов обмена информацией (данными) управляющей ЭВМ с периферийными устройствами и применением специальных, так называемых инте р фейсных схем и устройств . В функции интерфейсных схем входит:
определение адреса внешнего устройства, требующего обмена информацией с процессором либо с запоминающим устройством системы;
формирование сигналов прерывания работы процессора ВС и инициализация перехода к программе обслуживания объекта, запросившего прерывание. Это осуществляется по специальной системе приоритетов ;
реализация очередей на обслуживание внешних устройств;
согласование по параметрам и времени сигналов обмена и т.д.
Благодаря современным достижениям в области интегральной технологии в изготовлении микроэлектронных устройств, созданию микроЭВМ и компьютеров, характеризующихся малыми габаритами, малым потреблением энергии и приемлемой стоимостью, стало возможным их применение в составе систем самого различного назначения. При этом эти системы приобретают новые качества и становятся многофункциональными с возможностью гибкого перехода от одного режима работы к другому путём простого изменения конфигурации систем. В свою очередь, эти достоинства открывают новые перспективы в применении компьютерных систем в самых разнообразных областях человеческой деятельности: в науке, в медицине, в образовании и подготовке кадров и тем более в технике.
Например, телефонная связь традиционно осуществлялась аналоговыми устройствами, когда человеческая речь передавалась (по проводам) сигналами в виде переменных токов звуковых частот. Теперь же наметился интенсивный переход к цифровой телефонной связи, при которой аналоговые сигналы (от микрофона) преобразуются в цифровые, передаваемые на большие расстояния без существенных искажений. На приёмной стороне эти цифровые сигналы вновь преобразуются в аналоговые и доводятся до телефона. Переход к цифровой связи позволяет повысить качество передачи речи, кроме того, телефонную сеть можно использовать для других услуг: охранной сигнализации; пожарной сигнализации; для «конференцсвязи» нескольких абонентов и так далее.
В2. Сравнительная оценка цифровых и аналоговых устройств
микроэлектронной техники
Решая вопрос о построении или проектировании, какого либо устройства, следует предварительно принять решение о направлении проектирования, каким будет устройство? Аналоговым либо дискретным (цифровым)? В свою очередь, это решение можно принять, зная достоинства и недостатки тех и других устройств. Предварительно дадим определения понятиям «аналоговые» и «цифровые» устройства.
Аналоговым называется такое устройство , у которого все сигналы входные, выходные и промежуточные (внутренние) являются непрерывными, описываются непрерывными математическими функциями. Эти сигналы характеризуются бесконечным множеством значений по уровню (состояниям) и непрерывны во времени, хотя диапазон изменения значений непрерывного сигнала ограничен. Поэтому иногда такие устройства называют устро й ствами н е прерывного действия .
Дискретными устройствами или устройствами дискретного действия называют такие, у которых входные, выходные и промежуточные сигналы характеризуются счётным множеством значений по уровню и существованием в определённые интервалы времени. Такие сигналы можно отобразить в той или иной позиционной системе счисления (соответствующими цифрами). Например, в десятичной системе счисления либо двоичной системе счисления. Двоичное представление сигналов нашло наибольшее применение в технике и в формальной логике при исчислении высказываний и при выводе умозаключений из нескольких посылок. Поэтому дискретные устройства называют логическими (по аналогии с формальной двоичной логикой) или цифровыми , принимая во внимание возможность описания их с помощью чисел позиционной системы счисления.
Недостатки технических средств аналоговой техники
Наличие «дрейфа» и «шумов». Дрейф это медленное изменение сигнала, обусловленное дискретной природой явлений, по отношению к заданному его значению. Например, для электрических сигналов дискретную природу протекания электрического тока обуславливают электроны и «дырки», являющиеся носителями электрических зарядов. Шумы это случайные изменения сигнала, вызванные внешними или внутренними факторами, например, температурой, давлением, напряжённостью магнитного поля Земли и т.д.
Методологические трудности в определении понятий «равенство нулю» и «равенства аналоговых сигналов». И как следствие существование проблемы «обеспечения заданной точности (погрешности)» преобразований и передачи сигналов.
Возможность появления неустойчивых режимов работы и существование проблемы «обеспечения устойчивости» работы систем и устройств. Неустойчивый режим характеризуется возникновением в устройстве или системе незатухающих колебаний в изменении некоторых сигналов. В электронике это явление широко используется при построении генераторов импульсов и генераторов гармонических колебаний.
Технические трудности в реализации запоминающих устройств и устройств временной задержки аналоговых сигналов.
Недостаточный уровень интеграции аналоговых элементов и их универсальности.
Сравнительно малая дальность передачи аналоговых сигналов, обусловленная рассеянием энергии в линиях связи.
Сравнительно большое потребление энергии, так как аналоговые элементы работают на линейных участках их переходных характеристик и «потребляют» энергию в начальных (исходных) состояниях.
Достоинства технических средств аналоговой техники
Адекватность отображения физических процессов и закономерностей: и те и другие описываются непрерывными зависимостями. Это позволяет существенно упрощать принципиальные технические решения аналоговых устройств и систем.
Оперативность и простота изменения режимов работы: часто достаточно изменить сопротивление резистора или ёмкость конденсатора, чтобы неустойчивый режим сменился на устойчивый либо обеспечить заданный переходный процесс в устройстве.
Отсутствие необходимости в преобразовании аналоговых величин в дискретные. Эти преобразования сопровождаются погрешностью и определённой тратой времени.
Достоинства технических средств цифровой техники
Возможность программного управления, что увеличивает гибкость изменения структуры и алгоритма функционирования систем, позволяет упростить реализацию адаптивных законов управления.
Простота обеспечения заданной надёжности, точности и помехоустойчивости работы систем.
Простота обеспечения совместимости устройств с устройствами обработки информации в цифровой форме (ЭВМ, компьютерами).
Высокая степень конструктивной и функциональной интеграции, универсальности с возможностью построения систем по типовым проектным решениям. В свою очередь это позволяет сокращать затраты на производство и эксплуатацию систем и устройств.
Возможность проектирования формальными логическими методами, что позволяет сокращать сроки проектирования устройств и даёт возможность изменения функций устройств (и систем на их основе) методами агрегатного построения в процессе эксплуатации.
Недостатки технических средств цифровой техники
Необходимость преобразования аналоговых сигналов в дискретные. Эти преобразования сопровождаются появлением погрешности и задержками во времени.
Относительная сложность изменения режимов работы. Для этого необходимо менять структуру системы либо алгоритм её функционирования.
Сложность процессов анализа функционирования систем, как при проверке правильности их работы, так и при поиске возникающих неисправностей. Цифровые устройства характеризуются большой функциональной сложностью, что требует специальных «диагностических» устройств, которые изучаются в специальной области техники, называемой технической д и агност и кой .
Повышенные требования к культуре производства и к культуре обслуживания технических средств цифровой техники. В свою очередь, это стимулирует необходимость повышения квалификации обслуживающего персонала и требует от него высокой квалификации.
Сравнительный анализ перечисленных достоинств и недостатков даёт вывод в пользу технических средств цифровой техники . Поэтому в настоящее время цифровые устройства широко внедряются, казалось бы, в традиционные области аналоговой техники: телевидение, телефонную связь, в технику звукозаписи, радиотехнику, в системы автоматического управления и регулирования.
1. Основы микроэлектронной техники
1.1. Основные понятия и определения
Микроэлектроника основное направление электроники, которое изучает проблемы конструирования, исследования, создания и применения электронных устройств с высокой степенью функциональной и конструкти в ной интеграции .
Микроэлектронное изделие , реализованное средствами интегральной технологии и выполняющее определённую функцию по преобразованию и обработке сигналов, называется интегральной микросхемой (ИМС) или просто интегральной схемой (ИС).
Микроэлектронное устройство совокупность взаимосвязанных ИС, выполняющая законченную достаточно сложную функцию (либо несколько функций) по обработке и преобразованию сигналов. Микроэлектронное устройство может быть конструктивно оформлено в виде одной микросхемы либо на нескольких ИМС.
Под функциональной интеграцией понимают увеличение числа реализуемых (выполняемых) некоторым устройством функций. При этом устройство рассматривается как единое целое , неделимое. А конструктивная инт е грация это увеличение количества компонентов в устройстве, рассматриваемом как единое целое . Примером микроэлектронного устройства с высокой степенью конструктивной и функциональной интеграции, является микропроцессор (см. выше), который, как правило, выполняется в виде одной «большой» ИМС.
Схемотехника является частью микроэлектроники, предметом которой являются методы построения устройств различного назначения на микр о схемах широкого применения . Предметом же цифровой схемотехники являются методы построения (проектирования) устройств только на цифровых ИМС.
Особенностью цифровой схемотехники является широкое применение для описания процессов функционирования устройств формальных либо формально-естественных языков и основанных на них формализованных методов проектирования . Формальными языками являются булева алгебра (алгебра логики, алгебра Буля) и язык «автоматных» логических функций алгебра состояний и событий . Благодаря использованию формализованных методов, достигается многовариантность в решении прикладных задач, появляется возможность оптимального выбора схемотехнических решений по тем или иным критериям.
Формальные методы характеризуются высоким уровнем абстракции отвлечения, пренебрежения частными свойствами описываемого объекта. Акцентируется внимание только на общих закономерностях во взаимных связях между компонентами объекта его составными частями. К таким “закономерностям”, например, относятся правила арифметических действий в алгебре чисел (правила сложения, вычитания, умножения, деления). При этом отвлекаются от смысла чисел (количество ли это яблок, либо столов и т.д.). Эти правила строго формализованы, формализованы и правила получения сложных арифметических выражений, а также процедуры вычислений по таким выражениям. В таких случаях говорят, формальными являются и си н та к сис и грамматика языка описания.
У формально-естественных языков синтаксис формализован, а грамматика (правила построения сложных выражений) подчиняется грамматике естественного языка, например русского либо английского. Примерами таких языков являются различные табличные языки описания. В частности, теоретической базой описания цифровых устройств является «Теория конечных автоматов» или «Теория релейных устройств и конечных автоматов» .
1.2. Классификация микроэлектронных устройств
Всё многообразие микроэлектронных устройств (МЭУ) можно классифицировать по различным признакам:
по принципу и характеру действия;
по функциональному назначению и выполняемым функциям;
по технологии изготовления;
по области применения;
по конструктивному исполнению и техническим характеристикам и так далее.
Рассмотрим теперь более детально разделение МЭУ по классификационным признакам.
По принципу (характеру) действия все МЭУ подразделяются на аналоговые и цифровые . Выше уже были даны понятия аналоговых и дискретных устройств и, в том числе цифровых. Здесь же отметим, если в дискретных устройствах все сигналы принимают только два условных значения логического нуля (лог.0) и логической единицы (лог.1), то устройства называют логическими . Как правило, все цифровые устройства относятся к логическим устройствам.
В зависимости от выполняемых функций (функционального назначения) различают следующие микроэлектронные устройства:
I. Аналоговые
1.1. Усилительные устройства (усилители).
1.2. Функциональные преобразователи, выполняющие математические операции с аналоговыми сигналами (например, интегрирование, дифференцирование и т.д.).
1.3. Измерительные преобразователи и датчики физических величин.
1.4. Модуляторы и демодуляторы, фильтры, смесители и генераторы гармонических колебаний.
1.5. Запоминающие устройства.
1.6. Стабилизаторы напряжений и токов.
1.7. Интегральные микросхемы специального назначения (например, для обработки радио- и видеосигналов, компараторы, коммутаторы и т.д.).
II. Цифровые МЭУ
2.1. Логические элементы.
2.2. Шифраторы, дешифраторы кодов и кодопреобразователи.
2.3. Запоминающие элементы (триггеры).
2.4. Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ПЛМ и др.).
2.5. Арифметико-логические устройства.
2.6. Селекторы, формирователи и генераторы импульсов.
2.7. Счётные устройства (счётчики импульсов).
2.8. Цифровые компараторы, коммутаторы дискретных сигналов.
2.9. Регистры.
2.10. Микросхемы специального назначения (например, таймерные, микропроцессорные комплекты ИС и т.д.).
Приведённая классификация далеко не исчерпывающая, но позволяет сделать вывод, что номенклатура цифровых устройств значительно шире номенклатуры аналоговых МЭУ.
Кроме перечисленных, существуют микросхемы преобразователей уровней сигналов, например триггеры Шмита, у которых входные сигналы являются аналоговыми, а выходные дискретными, двоичными. Такие микросхемы занимают промежуточное положение. Аналогично, микросхемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП), коммутаторы аналоговых сигналов, управляющиеся дискретными сигналами, следует отнести к «промежуточным» МЭУ.
В зависимости от количества реализуемых функций различают одн о функциональные (простые) и многофункциональные (сложные) МЭУ. В многофункциональных устройствах функции могут выполняться одновременно либо последовательно во времени. В зависимости от этого, в первом случае, устройства называют устройствами «параллельного» действия, а во втором случае устройствами последовательного действия или «последовательностными». Если настройка многофункционального устройства на выполнение той или иной функции осуществляется путём коммутации входов (физической перекоммутацией электрических цепей), то такое устройство называют устройством с «жёсткой логикой » работы. А если изменение выполняемых функций производится с помощью дополнительных внешних сигналов (на так называемых управляющих входах), то такие МЭУ следует отнести к «программно-управляемым». Например, ИМС арифметико-логических устройств (АЛУ) могут реализовать арифметические либо логические операции с двумя многоразрядными двоичными числами. А настройка на выполнение арифметических (либо логических) операций осуществляется одним дополнительным внешним сигналом, в зависимости от значения которого будут выполняться желаемые действия. Поэтому АЛУ следует отнести к программно-управляемым МЭУ.
По технологии изготовления все ИМС делятся на:
Полупроводниковые;
Плёночные;
Гибридные.
В полупроводниковых ИС все компоненты и соединения выполнены в объёме и на поверхности кристалла полупроводника. Эти ИС делятся на б и полярные микросхемы (с фиксированной полярностью питающих напряжений) и на униполярные с возможностью смены полярности питающего напряжения. В зависимости от схемотехнического исполнения «внутреннего содержания» биполярные микросхемы делятся на следующие виды:
ТТЛ транзисторно-транзисторной логики;
ТТЛш транзисторно-транзисторной логики с транзисторами и диодами Шотки;
ЭСЛ эмиттерно-связанной логики;
И 2 Л инжекционной логики и другие.
Микросхемы униполярной технологии выполняются на МДП-транзисторах («металл-диэлектрик-полупроводник»), либо на МОП-транзисторах («металл-окисел-полупроводник»), либо на КМОП-транзисторах (комплиментарные «металл - окисел - полупроводник»).
В плёночных ИС все компоненты и связи выполняются только на поверхности кристалла полупроводника. Различают тонкоплёночные (с толщиной слоя менее 1 микрона) и толстоплёночные с толщиной плёнки более микрона. Тонкоплёночные ИС изготавливаются методом термовакуумного осаждения и катодного распыления, а толстоплёночные методом шелкографии с последующим вжиганием присадок.
Гибридные ИС состоят из «простых» и «сложных» компонентов, расположенных на одной подложке. В качестве сложных компонентов обычно используются кристаллы полупроводниковых либо плёночных ИС. К простым относятся дискретные компоненты электронной техники (транзисторы, диоды, конденсаторы, индуктивности и т.д.). Все эти компоненты конструктивно располагаются на одной подложке и на ней также выполняются электрические соединения между ними. Причём одна подложка с расположенными на ней компонентами образуют один «слой» гибридной ИС. Различают однослойные и многослойные гибридные ИС. Многослойная гибридная ИС способна выполнять достаточно сложные функции по обработке сигналов. Такая микросхема равносильна по действию «микроблоку» устройств, либо, если она предназначена для самостоятельного применения, действию «целого» блока.
Кроме того, любые микросхемы оцениваются количественным показ а телем их сложности . В качестве такого показателя используется «степень интеграции » k , равная десятичному логарифму от общего количества N компонентов, размещённых на одном кристалле полупроводника, то есть
k = lq N . (1)
В соответствии с формулой (1) все микросхемы делятся на микросхемы 1-й, 2-й, третьей и так далее степеней интеграции. Степень интеграции лишь косвенно характеризует сложность микросхем, поскольку принимается во внимание только конструктивная интеграция. Фактически же сложность микросхемы зависит и от количества взаимных связей между компонентами.
В инженерной практике используется качественная характеристика сложности микросхем в понятиях «малая», «средняя», «большая» и «сверхбольшая» ИС.
В табл.1.1 приведены сведения о взаимном соответствии качественных и количественных мер сложности ИС по их видам.
Таблица 1.1
|
Наименование ИС |
Технология изготовления |
Количество компонентов на кристалле |
Степень интеграции k |
||
|
Малая (МИС) |
Цифровая |
Биполярная |
|||
|
Униполярная |
|||||
|
Аналоговая |
Биполярная |
||||
|
Средняя (СИС) |
Цифровая |
Биполярная |
|||
|
Униполярная |
|||||
|
Аналоговая |
Биполярная |
||||
|
Униполярная |
|||||
|
Большая (БИС) |
Цифровая |
Биполярная |
|||
|
Униполярная |
|||||
|
Аналоговая |
Биполярная |
||||
|
Униполярная |
|||||
|
Сверхбольшая (СБИС) |
Цифровая |
Биполярная |
|||
|
Униполярная |
Более 10000 |
||||
|
Аналоговая |
Биполярная |
||||
|
Униполярная |
Из анализа табл.1.1 следует, что в сравнении с цифровыми ИС аналоговые микросхемы при одинаковых степенях интеграции имеют в своём составе (на кристалле полупроводника) более чем в три раза, меньшее число компонентов. Это объясняется тем, что активные компоненты (транзисторы) аналоговой микросхемы работают в линейном режиме и рассеивают большее количество энергии. Необходимость отвода тепла, выделяющегося при рассеянии энергии, ограничивает количество компонентов, размещаемых на одном кристалле. У цифровых микросхем активные компоненты работают в ключевом режиме (транзисторы либо заперты, либо открыты и находятся в режиме насыщения). В этом случае рассеиваемая мощность незначительна, и количество выделяемого тепла также незначительно и следовательно число компонентов на кристалле может быть размещено больше. (Размеры кристаллов стандартизованы и ограничены.) При униполярной технологии объём кристалла, занимаемый под полевой транзистор приблизительно в три раза меньше объёма, занимаемого биполярным транзистором (n - p - n или p - n - p типа). Этим объясняется тот факт, что активных компонентов на кристалле стандартных размеров в униполярной микросхеме можно разместить больше.
По конструктивному исполнению в зависимости от функциональной сложности микроэлектронные устройства подразделяются:
на простые микросхемы (ИМС);
на микросборки;
на микроблоки.
ИМС микроэлектронное изделие, изготавливаемое в едином технол о гическом цикле , пригодное для самостоятельного применения или в составе более сложных изделий (в том числе, микросборок и микроблоков). Микросхемы могут быть бескорпусными и иметь индивидуальный корпус, защищающий кристалл от внешних воздействий.
Микросборка микроэлектронное изделие, выполняющее достаточно сложную функцию (функции) и состоящее из электрорадиокомпонентов и микросхем, изготавливаемое с целью миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. По существу гибридные микросхемы являются микросборками. Самой простой микросборкой может быть, например, набор микрорезисторов, выполненных на кристалле полупроводника и оформленных в едином корпусе (как микросхема).
Микроблок также является микроэлектронным изделием, состоит из электрорадиокомпонентов и интегральных схем и выполняет сложную функцию (функции).
Как правило, микросборки и микроблоки изготавливаются в различных технологических циклах, и, может быть, на разных заводах-изготовителях.
В качестве классификационных технических характеристик обычно используются потребляемая мощность (одной микросхемой) и быстроде й ствие .
По потребляемой мощности все ИМС можно разделить на: а ) микр о мощные (менее 10 мВт ); б ) маломощные (не более 100 мВт ); в ) средней мощности (до 500 мВт ) и г ) мощные (более или = 0,5 Вт ).
По быстродействию (максимальным задержкам времени распространения сигналов через ИС) микросхемы делятся условно на: а ) сверхбыстродействующие с граничной частотой f гр переключений свыше 100 МГц ; б ) быстродействующие (f гр от 50 МГц до 100 МГц ); в ) нормального быстродействия (f гр от 10 МГц до 50 МГц ). При этом задержки распространения составляют порядка от единиц наносекунд (10 -9 с .) до 0,1 микросекунды (1s =10 -6 с .).
Цифровые микроэлектронные устройства, в том числе микросхемы и другие устройства дискретного действия , удобно классифицировать по х а рактеру зависимости выходных сигналов от входных. Как это принято в теории конечных автоматов. В соответствии с этим признаком все устройства принято разделять на комбинационные и последовательностные .
В комбинационных устройствах значения выходных сигналов в какой-либо момент времени однозначно определяются значениями входных сигналов в этот же момент времени. Поэтому можно считать, что работа таких устройств не зависит от времени. Их ещё называют устройствами «без памяти », однотактными устройствами или устройствами однотактного действия. В теории конечных автоматов комбинационные устройства называют «примитивными конечными автоматами».
В последовательностных устройствах значения выходных сигналов (выходные сигналы) зависят от значений входных сигналов не только в рассматриваемый момент времени, но и от значений входных сигналов в предыдущие моменты времени. Поэтому такие устройства называют устройствами с «памятью », многотактными устройствами, а в теории конечных автоматов, просто? конечным автоматом (не тривиальным).
При рассмотрении учебного материала, в дальнейшем, за основную примем именно эту классификацию , так как методы построения (синтеза) и процессы функционирования названных устройств существенно различ а ются .
Заканчивая изложение вопросов классификации, отметим, что приведённый перечень классификационных признаков и перечень наименований микроэлектронных изделий (микросхем) далеко не исчерпывающий. В дальнейшем, по мере необходимости, этот перечень мы дополним.
1.3. Логические элементы
Логические элементы относятся к простейшим комбинационным «устройствам», имеющим один выход и один-два входа. Своё название они получили по той причине, что их функционирование полностью можно описать логическими функциями и в частности булевыми функциями.
Как и в формальной логике, все высказывания могут быть истинными либо ложными, так и логические функции могут принимать только два условных значения: логической единицы (лог.1) «истина» и логического нуля (лог.0) «ложь».
При описании работы логических элементов выходным сигналам ставят в однозначное соответствие функции , а входным сигналам аргументы этих функций. Таким образом, и функции, и аргументы функций, а также входные и выходные сигналы логических элементов являются двоичными. Если пренебречь реальным временем перехода логического элемента из одного состояния (состояния лог.1) в другое (состояние лог.0), то ни аргументы и ни функции не будут зависеть от фактора времени переменной времени. Правила получения и преобразования логических выражений рассматривает алгебра логики или булева алгебра.
Подобные документы
Задачи курса - изучение схемотехнической базы современных компьютеров, компьютерных систем и сетей. Основные поколения развития компьютерной схемотехники. Аналоговые и дискретные элементы. Способы представления цифровой информации, виды кодирования.
лекция , добавлен 17.02.2011
Микроэлектроника - самостоятельное научно-техническое, технологическое направление, исторические этапы. Цифровые интегральные микросхемы: логические основы, кодирование сигналов, классификация; разработка, производство, перспективы развития и применения.
учебное пособие , добавлен 11.11.2010
Основные преимущества цифровых систем связи по сравнению с аналоговыми. Принципы работы дискретных устройств, особенности их построения. Устройство генератора импульсов, синтез счетчика, мультиплексора и дешифратора. Разработка асинхронного автомата.
курсовая работа , добавлен 21.11.2012
Особенности волоконно-оптических систем передачи. Выбор структурной схемы цифровой ВОСП. Разработка оконечной станции системы связи, АИМ-модуляторов. Принципы построения кодирующих и декодирующих устройств. Расчёт основных параметров линейного тракта.
дипломная работа , добавлен 20.10.2011
Интегральные микросхемы: сведения, классификация, условно-графическое обозначение, маркировка. Условные обозначения микросхем, основные электрические параметры, базовые логические элементы. Регистры, счетчики, дешифраторы, триггеры, аппараты защиты.
лекция , добавлен 20.01.2010
Интегральные микросхемы, сигналы. Такт работы цифрового устройства. Маркировка цифровых микросхем российского производства. Базисы производства цифровых интегральных микросхем. Типы цифровых интегральных микросхем. Схемотехника центрального процессора.
презентация , добавлен 24.04.2016
Характеристика и область применения сигналов в системах цифровой обработки. Специализированный процессор цифровой обработки сигналов СПФ СМ: разработчики и история, структура и характеристики, область применения, алгоритмы и программное обеспечение.
курсовая работа , добавлен 06.12.2010
Интегральные микросхемы. Подложки толстопленочных микросхем. Толстопленочные проводники и резисторы. Основные свойства резистивных пленок. Удельное сопротивление сплошной толстой пленки. Перенос электрического тока через толстопленочную структуру.
реферат , добавлен 06.01.2009
Аппаратные принципы построения устройств микропроцессорной техники и приобретение практических навыков по разработке микропроцессорных систем. Техническая характеристика микропроцессора ATmega и анализ микросхемы памяти. Схема микропроцессорной системы.
курсовая работа , добавлен 19.11.2011
Цифровая обработка сигналов и ее использование в системах распознавания речи, дискретные сигналы и методы их преобразования, основы цифровой фильтрации. Реализация систем распознавания речи, гомоморфная обработка речи, интерфейс записи и воспроизведения.
Твоё путешествие в мир электроники мы начнем с погружения в цифровую электронику. Во-первых, потому что это верхушка пирамиды электронного мира, во-вторых, базовые понятия цифровой электроники просты и понятны.
Задумывался ли ты о том, какой феноменальный прорыв в науке и технике произошел благодаря электронике и цифровой электронике в частности? Если нет, тогда возьми свой смартфон и внимательно на него посмотри. Такая простая с виду конструкция -- результат огромной работы и феноменальных достижений современной электроники. Создание такой техники стало возможным благодаря простой идее о том, что любую информацию можно представить в виде чисел. Таким образом, независимо от того, с какой информацией работает устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Тебе наверняка знакомы римские и арабские цифры. В римской системе числа представляются в виде комбинации букв I, V, X, L, C, D, M, а в арабской с помощью комбинации символов 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Но существуют и другие формы представления числа. Одна из них -- это двоичная форма. Или, как её чаще называют, двоичная система счисления. В такой системе счисления любое число представляет собой последовательность только из "0" и "1".
| Арабские | Римские | Двоичные |
| 0 | - | 00 |
| 1 | I | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Математики c инженерами хорошо потрудились, и сегодня любая информация может быть представлена в виде комбинации нулей и единиц: сигнал с датчика движения, музыка, видео, фото, температура, и даже вот этот текст, который ты сейчас читаешь, на самом деле в недрах твоего устройства имеет вид последовательности из нулей и единиц.
Независимо от того, с какой информацией работает цифровое устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Почему именно "0" и "1", а не "0", "1" и "2", к примеру? На самом деле были вполне успешные попытки создать цифровую технику, которая использует не двоичную, а троичную систему исчисления ("0", "1" и "2"), но двоичная все же победила.
Возможно, победа досталась ей, потому что СССР развалился, а может потому, что "0" и "1" легче представить в виде электрических сигналов. А значит, цифровые устройства на основе двоичной системы исчисления проще и дешевле производить. Подробнее о двоичных числах я расскажу позже.
Структура цифрового устройства
Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.
Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.
МК является наиболее многочисленным и популярным видом микропроцессоров в мире. Особенным его делает то, что микроконтроллер представляет собой микро-PC -- целый компьютер в одной микросхеме. Представь себе компьютер размером, например, с копейку. Вот это и есть МК.
Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.
В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.
Как работает микроконтроллер
Несмотря на всю сложность конструкции настоящего микроконтроллера, рассказать, как он функционирует можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера записывается текст программы, МК считывает команды из этой программы и выполняет их", -- вот и всё.
Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.
В современном мире микропроцессор (МК тоже микропроцессор, но специализированный) может иметь либо очень много базовых команд, либо очень мало. Это такое условное разделение, для которого даже придумали два термина: CISC и RISC. CISC -- это много разных видов команд на все случаи жизни, RISC -- это только наиболее необходимые и часто использующиеся команды, т.е. сокращенный набор команд.
Большинство микроконтроллеров исповедуют RISC. Объясняется это тем, что при использовании сокращенного набора команд микроконтроллеры проще и дешевле для производства, их легче и быстрей осваивают разработчики аппаратуры. Между CISC и RISC много различий, но сейчас принципиально важно запомнить только то, что CISC -- много команд, RISC -- мало команд. Глубже с этими двумя идеями познакомимся как-нибудь в другой раз.
Что происходит, когда включается микроконтроллер?
Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК "прошит" (при этом программу называют "прошивкой") и готов к бою.
Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:
После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он "знает", куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы .
Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.
Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?
Как устроен типичный МК
Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:
- Процессор (АЛУ + устройство управления),
- Память (ROM, RAM, FLASH),
- Порты ввода-вывода .
Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.
МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.
| ПЗУ | Постоянная память. Всё, что в неё записано, остаётся в ПЗУ и после того как устройство было отключено от питания. |
| ОЗУ | Временная память. ОЗУ -- это рабочая память МК. В неё помещаются все промежуточные результаты выполнения команд или данные от внешних устройств. |
| АЛУ | Математический мозг микроконтроллера. Именно он складывает, вычитает, умножает, а иногда и делит, сравнивает нолики и единички в процессе выполнения команд программы. Один из важнейших органов МК. |
| Порты I/O | Просто устройства для общения МК с внешним миром. Без них ни во внешюю память записать, ни данные от датчика или клавиатуры получить нельзя. |
| Таймеры | Готовил торт или курицу? Ставил таймер, чтобы он тебя оповестил, когда блюдо будет готово? Вот в МК таймер выполняет схожие функции: отсчитывает интервалы, выдаёт сигнал о срабатывании и т.д. |
| Счетчики | Пригождаются, когда требуется что-либо подсчитать. |
| Регистры | Самое непонятное слово для тех, кто хоть раз пытался освоить Асемблер самостоятельно. А между прочим они своего рода выполняют роль быстрой ОЗУ МК. Каждый регистр представляет собой своего рода ячейку памяти. И в каждом МК их всего несколько десятков. |
Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.
Мозг микроконтроллера
Микропроцессор/микроконтроллер всегда работает по заложенной в него программе. Программа состоит из последовательности операций, которые МК умеет выполнять. Операции выполняются в ЦПУ -- это мозг микроконтроллера. Именно этот орган умеет производить арифметические и логические операции с числами. Но есть ещё четыре важных операции, которые он умеет делать:
- чтение из ячейки памяти
- запись в ячейку памяти
- чтение из порта В/В
- запись в порт В/В
Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.
Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).
Память микроконтроллера
Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда...пшик и нету.
Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.
В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:
- RAM (Random Access Memory) -- память со случайны доступом
- ROM (Read Only Memory) -- память только для чтения
У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.
ПЗУ
Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.
Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х...2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.
У них был один существенный минус -- при случайно засветке кристалла (тот, что виден в окошечке) программа могла быть повреждена. А также ПЗУ до сих пор работает медленней, чем ОЗУ.
ОЗУ
Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.
ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ
Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.
Отдельно от памяти программ существует память данных, в которую помещаются промежуточные результаты работы и любые другие данные, требующиеся программе. Память программ -- это обычное ОЗУ.
Такое разделение хорошо тем, что никакая ошибка в программе не сможет повредить саму программу. К примеру, когда по ошибке МК попытается записать на место какой-нибудь команды в программе случайное число. Получается что программа надёжно защищена от повреждения. Кстати, у такого разделения есть своё особо название -- "гарвардская архитектура".
В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.
Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:
Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.
ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ
КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Ты уже значешь, что мозгом МК является ЦПУ -- центральный процессор, который состоит из АЛУ (арифметико-логическое устройство) и устройства управления (УУ). УУ дерижирует всем оркестром из памяти, внешних устройств и АЛУ. Благодаря ему МК может выполнять команды в том порядке в каком мы этого хотим.
АЛУ -- это калькулятор, а УУ говорит АЛУ что, с чем, когда и в какой последовательности вычислять или сравнивать. АЛУ умеет складывать, вычитать, иногда делить и умножать, выпонять логические операции: И, ИЛИ, НЕ (о них будет чуть позже)
Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из "0" и "1". Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.
Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:
При этом УУ знает в каком месте памяти взять число "2", в каком число "5" и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.
Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про "женскую логику"? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина "солнце взошло" вызвала следствие "стало светло". При этом про каждое утверждение мы можем сказать "ИСТИНА" или "ЛОЖЬ".
Например:
- "Птицы плавают под водой" -- это ложь
- "Вода мокрая" -- при комнатной температуре это утверждение истинно
Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину "1", а ложь "0". Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:
- "Птицы плавают под водой" = 0
- "Вода мокрая" = 1
А ещё такая запись позволила математикам выполнять с этими утверждениями целые операции -- логические операции. Первым до этого додумался Джордж Буль. По имени которого и названа такая алгебра: "булева алгебра", которая оказалась очень удобной для цифровых машин.
Вторая половина АЛУ -- это логические операции. Они позволяют "сравнивать" утверждения. Базовых логических операций всего несколько штук: И, ИЛИ, НЕ, -- но этого достаточно, так как более сложные могут комбинироваться из этих трёх.
Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным
Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. "Птицы плавают под водой" И "Вода мокрая" истинно, так как истинно утверждение "вода мокрая"
Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:
Солнце всходит каждый день = ИСТИНА
НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ
Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.
УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА
Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.
Подведу итоги:
- Цифровая электроника -- верхушка айсберга электроники
- Цифровое устройство знает и понимает только числа
- Любая информация: сообщение, текст, видео, звук, -- могут быть закодированы с помощью двоичных чисел
- Микроконтроллер -- это микрокомпьютер на одной микросхеме
- Любая микропроцессорная система состоит из трёх частей: процессор, память, устройства ввода-вывода
- Процессорс состоит из АЛУ и управляющего устройства
- АЛУ умеет выполнять арифметические и логические операции с двоичными числами
Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.
p.s.
Нашёл ошибку? Сообщи мне!
Большой радиолюбитель и конструктор программ
Изучение базовых элементов цифровой электроники мы начнем с наиболее простых, а затем будем рассматривать все более сложные. Примеры применения каждого следующего элемента будут опираться на все элементы, рассмотренные ранее. Таким образом, будут постепенно даны главные принципы построения довольно сложных цифровых устройств.
Логические элементы (или, как их еще называют, вентили, "gates") - это наиболее простые цифровые микросхемы. Именно в этой простоте и состоит их отличие от других микросхем. Как правило, в одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых логических элементов. Иногда в одном корпусе могут располагаться и разные логические элементы.
Обычно каждый логический элемент имеет несколько входов (от одного до двенадцати) и один выход. При этом связь между выходным сигналом и входными сигналами (таблица истинности) предельно проста. Каждой комбинации входных сигналов элемента соответствует уровень нуля или единицы на его выходе. Никакой внутренней памяти у логических элементов нет, поэтому они относятся к группе так называемых комбинационных микросхем. Но в отличие от более сложных комбинационных микросхем, рассматриваемых в следующей лекции, логические элементы имеют входы, которые не могут быть разделены на группы, различающиеся по выполняемым ими функциям.
Главные достоинства логических элементов, по сравнению с другими цифровыми микросхемами, - это их высокое быстродействие (малые времена задержек), а также малая потребляемая мощность (малый ток потребления). Поэтому в тех случаях, когда требуемую функцию можно реализовать исключительно на логических элементах, всегда имеет смысл проанализировать этот вариант. Недостаток же их состоит в том, что на их основе довольно трудно реализовать сколько-нибудь сложные функции. Поэтому чаще всего логические элементы используются только в качестве дополнения к более сложным, к более "умным" микросхемам. И любой разработчик обычно стремится использовать их как можно меньше и как можно реже. Существует даже мнение, что мастерство разработчика обратно пропорционально количеству используемых им логических элементов. Однако это верно далеко не всегда.
Инверторы
Самый простой логический элемент - это инвертор (логический элемент НЕ, "inverter"), уже упоминавшийся в первой лекции . Инвертор выполняет простейшую логическую функцию - инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на противоположный. Он имеет всего один вход и один выход. Выход инвертора может быть типа 2С или типа ОК. На рис. 3.1 показаны условные обозначения инвертора, принятые у нас и за рубежом, а в табл. 3.1 представлена таблица истинности инвертора.
Рис. 3.1. Условные обозначения инверторов: зарубежные (слева) и отечественные (справа)
В одном корпусе микросхемы обычно бывает шесть инверторов. Отечественное обозначение микросхем инверторов - "ЛН". Примеры: КР1533ЛН1 (SN74ALS04) - шесть инверторов с выходом 2С, КР1533ЛН2 (SN74ALS05) - шесть инверторов с выходом ОК. Существуют также инверторы с выходом ОК и с повышенным выходным током (ЛН4), а также с повышенным выходным напряжением (ЛН3, ЛН5). Для инверторов с выходом ОК необходимо включение выходного нагрузочного резистора pull-up. Его минимальную величину можно рассчитать очень просто: R < U/I OL , где U - напряжение питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом - единиц кОм.
Две основные области применения инверторов - это изменение полярности сигнала и изменение полярности фронта сигнала (рис. 3.2) . То есть из положительного входного сигнала инвертор делает отрицательный выходной сигнал и наоборот, а из положительного фронта входного сигнала - отрицательный фронт выходного сигнала и наоборот. Еще одно важное применение инвертора - буферирование сигнала (с инверсией), то есть увеличение нагрузочной способности сигнала. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо подать на много входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.
Рис. 3.2. Инверсия полярности сигнала и инверсия полярности фронта сигнала
Именно инвертор, как наиболее простой элемент, чаще других элементов используется в нестандартных включениях. Например, инверторы обычно применяются в схемах генераторов прямоугольных импульсов (рис. 3.3) , выходной сигнал которых периодически меняется с нулевого уровня на единичный и обратно. Все приведенные схемы, кроме схемы д, выполнены на элементах К155ЛН1, но могут быть реализованы и на инверторах других серий при соответствующем изменении номиналов резисторов. Например, для серии К555 номиналы резисторов увеличиваются примерно втрое. Схема д выполнена на элементах КР531ЛН1, так как она требует высокого быстродействия инверторов.
Рис.
3.3.
Схемы генераторов импульсов на
инверторах
Схемы а, б и в представляют собой обычные RC-генераторы, характеристики которых (выходную частоту, длительность импульса) можно рассчитать только приблизительно. Для схем а и б при указанных номиналах резистора и конденсатора частота генерации составит порядка 100 кГц, для схемы в - около 1 МГц. Эти схемы рекомендуется использовать только в тех случаях, когда частота не слишком важна, а важен сам факт генерации. Если же точное значение частоты принципиально, то рекомендуется применять схемы г и д, в которых частота выходного сигнала определяется только характеристиками кварцевого резонатора. Схема г используется для кварцевого резонатора, работающего на первой (основной) гармонике. Величину емкости можно оценить по формуле:
где F - частота генерации. Схема д применяется для гармониковых кварцевых резонаторов, которые работают на частоте, большей основной в 3, 5, 7 раз (это бывает нужно для частот генерации выше 20 МГц).
Рис.
3.4.
Использование инверторов для
задержки сигнала
Инверторы также применяются в тех случаях, когда необходимо получить задержку сигнала, правда, незначительную (от 5 до 100 нс). Для получения такой задержки последовательно включается нужное количество инверторов (рис. 3.4 , вверху). Суммарное время задержки, например, для четырех инверторов, можно оценить по формуле
tЗ = 2t PHL + 2t PLH
Правда, надо учитывать, что обычно реальные задержки элементов оказываются существенно ниже (иногда даже вдвое), чем табличные параметры t PHL и t PLH . То есть о точном значении получаемой задержки говорить не приходится, ее можно оценить только примерно.
Для задержки сигнала используются также конденсаторы (рис. 3.4, внизу) . При этом задержка возникает из-за медленного заряда и разряда конденсатора (напряжение на конденсаторе - UC). Схема без резистора (слева на рисунке) дает задержку около 100 нс. В схеме с резистором (справа на рисунке) номинал резистора должен быть порядка сотен Ом. Но при выборе таких схем с конденсаторами надо учитывать, что некоторые серии микросхем (например, КР1533) плохо работают с затянутыми фронтами входных сигналов. Кроме того, надо учитывать, что количество времязадающих конденсаторов в схеме обратно пропорционально уровню мастерства разработчика схемы.
Наконец, еще одно применение инверторов, но только с выходом ОК, состоит в построении на их основе так называемых элементов "Проводного ИЛИ". Для этого выходы нескольких инверторов с выходами ОК объединяются, и через резистор присоединяются к источнику питания (рис. 3.5) . Выходом схемы является объединенный выход всех элементов. Такая конструкция выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при нулях на всех входах. Но о логических функциях подробнее будет рассказано далее.
Рис.
3.5.
Объединение выходов инверторов
с ОК для функции ИЛИ-НЕ
В заключение раздела надо отметить, что инверсия сигнала применяется и внутри более сложных логических элементов, а также внутри цифровых микросхем, выполняющих сложные функции.
Повторители и буферы
Повторители и буферы отличаются от инверторов прежде всего тем, что они не инвертируют сигнал (правда, существуют и инвертирующие буферы). Зачем же тогда они нужны? Во-первых, они выполняют функцию увеличения нагрузочной способности сигнала, то есть позволяют подавать один сигнал на много входов. Для этого имеются буферы с повышенным выходным током и выходом 2С, например, ЛП16 (шесть буферных повторителей). Во-вторых, большинство буферов имеют выход ОК или 3С, что позволяет использовать их для получения двунаправленных линий или для мультиплексирования сигналов. Поясним подробнее эти термины.
Рис.
3.6.
Двунаправленная линия
Под двунаправленными линиями понимаются такие линии (провода), сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов (рис. 3.6) . Понятно, что двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов ОК или 3С. Поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.
Рис.
3.7.
Однонаправленная мультиплексированная
линия на основе буферов
Мультиплексированием называется передача разных сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются (переводятся в пассивное состояние). В отличие от двунаправленной линии, к мультиплексированной линии, построенной на основе буферов, может быть подключен всего лишь один вход, но обязательно несколько выходов с ОК или 3С (рис. 3.7) . Мультиплексированные линии могут строиться не только на буферах, но и на микросхемах мультиплексоров, которые будут рассмотрены в лекциях 5, 6.
Рис.
3.8.
Объединение выходов буферов с
ОК
Примером буферов с выходом ОК является микросхема ЛП17 (шесть буферов о ОК). Точно так же, как и в случае инверторов с ОК (см. рис. 3.5) , выходы нескольких буферов с ОК могут объединяться для получения функции "Монтажное И", то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при единицах на всех входах (рис. 3.8) . То есть реализуется многовходовой элемент И.
Буферы с выходом 3С представлены гораздо большим количеством микросхем, например, ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, АП14. Эти буферы обязательно имеют управляющий вход EZ (или OE), переводящий выходы в третье, пассивное состояние. Как правило, третьему состоянию соответствует единица на этом входе, а активному состоянию выходов - нуль, то есть сигнал EZ имеет отрицательную полярность.
Буферы бывают однонаправленные или двунаправленные, с инверсией или без инверсии сигналов, с управлением всеми выходами одновременно или с управлением группами выходов. Всем этим и определяется большое разнообразие микросхем буферов.
|
Таблица 3.2. Таблица истинности буфера без инверсии |
||
|
Вход |
Выход |
|
Простейшим однонаправленным буфером без инверсии является микросхема ЛП8 (четыре буфера с выходами типа 3С и раздельным управлением). Каждый из четырех буферов имеет свой вход разрешения EZ. Таблица истинности буфера очень проста (табл. 3.2) : при нулевом сигнале на входе управления выход повторяет вход, а при единичном - выход отключен. Эту микросхему удобно применять для обработки одиночных сигналов, то есть для повторения входного сигнала с возможностью отключения выхода.
Рис.
3.9.
Применение буфера с 3С в качестве
буфера с ОК
Эти же буферы иногда удобно использовать для замещения буферов с выходом ОК (рис. 3.9) . В этом случае вход управления служит информационным входом. При нуле на входе мы получаем нуль на выходе, а при единице на входе - третье состояние на выходе.
Рис.
3.10.
Мультиплексирование двух входных
кодов с помощью буферов с 3С
Очень часто надо обрабатывать не одиночные сигналы, а группы сигналов, например, сигналы, передающие многоразрядные коды. В этом случае удобно применять буферы с групповым управлением, То есть имеющие один вход разрешения EZ для нескольких выходов. Примерами могут служить микросхемы ЛП11 (шесть буферов, разделенные на две группы: четыре и два буфера, для каждой из которых имеется свой вход управления) и АП5 (восемь буферов, разделенные на две группы по четыре буфера, каждая из которых имеет свой вход управления).
На рис. 3.10 показан пример мультиплексирования двух восьмиразрядных кодов с помощью двух микросхем АП5. Одноименные выходы обеих микросхем объединены между собой. Пропускание на выход каждого из двух входных кодов разрешается своим управляющим сигналом (Упр. 1 и Упр. 2), причем должен быть исключен одновременный приход этих двух сигналов, чтобы не было конфликтов на выходах.
Рис.
3.11.
Включение двунаправленного
буфера
Двунаправленные буферы, в отличие от однонаправленных, позволяют передавать сигналы в обоих направлениях. В зависимости от специального управляющего сигнала T (другое обозначение - BD), входы могут становиться выходами и наоборот: выходы - входами. Обязательно имеется и вход управления третьим состоянием EZ, который может отключить как входы, так и выходы.
На рис. 3.11 для примера показан двунаправленный буфер АП6, который может передавать данные между двумя двунаправленными шинами А и B в обоих направлениях. При единичном уровне на управляющем входе Т (сигнал Напр.) данные передаются из шины A в шину B, а при нулевом уровне - из шины B в шину A (табл. 3.3) . Единичный уровень на управляющем входе EZ (сигнал Откл.) отключает микросхему от обеих шин.
|
Таблица 3.3. Таблица истинности двунаправленного буфера |
||
|
Вход Т |
Вход-EZ |
Операция |
Двунаправленную передачу можно организовать и на основе однонаправленных буферов. На рис. 3.12 показано, как это можно сделать на двух микросхемах АП5. Здесь при нулевом сигнале Упр. 1 информация будет передаваться с шины А на шину В, а при нулевом сигнале на входе Упр. 2 - с шины В на шину А. Если оба входа Упр. 1 и Упр. 2 находятся в единичном состоянии, то шины A и В отключены друг от друга, а подача нулей на оба входа Упр. 1 и Упр. 2 должна быть исключена, иначе состояние обеих шин А и В будет не определено.
Рис.
3.12.
Организация двунаправленной
передачи с помощью однонаправленных
буферов
Микросхемы буферов в отечественных сериях имеют разнообразные обозначения: ЛН, ЛП, АП, ИП, что порой затрудняет их выбор. Например, ЛН6, ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, ИП5, ИП6. Буферы с буквами ЛН имеют инверсию, буферы АП и ИП могут быть с инверсией и без инверсии. Все параметры у буферов довольно близки, отличие - в инверсии, в количестве разрядов и в управляющих сигналах.
Временные параметры буферов включают помимо задержки сигнала от информационного входа до информационного выхода, также задержки перехода выхода в третье состояние и из третьего состояния в активное состояние (t PHZ , t PLZ и t PZH , t PZL). Величины этих задержек обычно примерно вдвое больше, чем величины задержек между информационным входом и выходом.
Отключаемый выход буферов (как ОК, так и 3С) требует применения нагрузочных резисторов. В противном случае вход, подключенный к отключенному выходу, оказывается подвешенным, в результате чего схема может работать неустойчиво, давать сбои. Подключение резистора в случае выхода ОК (pull-up) производится стандартным способом (см. рис. 3.8) . Точно так же может быть включен резистор между выходом 3С и напряжением питания (рис. 3.13) , тогда при отключенном выходе на вход будет поступать уровень логической единицы. Однако можно включить и резистор между выходом и землей, тогда при отключенном выходе на вход будет поступать сигнал логического нуля. Применяется также и включение двух резисторов (резистивного делителя), при этом величина верхнего резистора (присоединенного к шине питания) обычно выбирается в 2–3 раза меньше, чем нижнего резистора (присоединенного к "земле"), а величина параллельного соединенных двух резисторов выбирается равной примерно 100 Ом. Например, резисторы могут иметь номиналы 240 Ом и 120 Ом, 360 Ом и 130 Ом. Отключенный выход воспринимается в данном случае присоединенным к нему входом как единица.
Рис.
3.13.
Включение резисторов на выходе
буферов 3С
Иногда к выходам 3С резисторы не присоединяют вообще, но в этом случае надо обеспечить, чтобы последующий вход воспринимал сигнал с выхода 3С (то есть реагировал на него) только тогда, когда выход находится в активном состоянии. Иначе возможны сбои и отказы в работе устройства.
Рис.
3.14.
Применение буферов для индикации
Еще одно типичное применение буферов, связанное с их большими выходными токами, - это светодиодная индикация. Светодиоды могут подключаться к выходу буферов двумя основными способами (рис. 3.14) . При первом из них (слева на рисунке) светодиод горит, когда на выходе 3С или 2С-сигнал логической единицы, а при втором (справа на рисунке) - когда на выходе ОК сигнал логического нуля. Величина резистора выбирается исходя из характеристик светодиода, но обычно составляет порядка 1 кОм.
Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ
Следующий шаг на пути усложнения компонентов цифровой электроники - это элементы, выполняющие простейшие логические функции. Объединяет все эти элементы то, что у них есть несколько равноправных входов (от 2 до 12) и один выход, сигнал на котором определяется комбинацией входных сигналов.
Самые распространенные логические функции - это И (в отечественной системе обозначений - ЛИ), И-НЕ (обозначается ЛА), ИЛИ (обозначается ЛЛ) и ИЛИ-НЕ (обозначается ЛЛ). Присутствие слова НЕ в названии элемента обозначает только одно - встроенную инверсию сигнала. В международной системе обозначений используются следующие сокращения: AND - функция И, NAND - функция И-НЕ, OR - функция ИЛИ, NOR - функция ИЛИ-НЕ.
Название самих функций И и ИЛИ говорит о том, при каком условии на входах появляется сигнал на выходе. При этом важно помнить, что речь в данном случае идет о положительной логике, о положительных, единичных сигналах на входах и на выходе.
Элемент И формирует на выходе единицу тогда и только тогда, если на всех его входах (и на первом, и на втором, и на третьем и т.д.) присутствуют единицы. Если речь идет об элементе И-НЕ, то на выходе формируется нуль, когда на всех входах - единицы (табл. 3.4) . Цифра перед названием функции говорит о количестве входов элемента. Например, 8И-НЕ - это восьмивходовой элемент И с инверсией на выходе.
|
Таблица 3.4. Таблица истинности двухвходовых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ |
|||||
|
Вход 1 |
Вход 2 |
Выход И |
Выход И-НЕ |
Выход ИЛИ |
Выход ИЛИ-НЕ |
Элемент ИЛИ формирует на выходе нуль тогда и только тогда, если на всех входах нуль. Элемент ИЛИ-НЕ дает на выходе нуль при наличии хотя бы на одном из входов единицы (табл. 3.4 ). Пример обозначения: 4ИЛИ-НЕ - четырехвходовой элемент ИЛИ с инверсией на выходе.
Рис.
3.15.
Обозначения элементов И, И-НЕ,
ИЛИ, ИЛИ-НЕ: зарубежные (слева) и
отечественные (справа)
Отечественные и зарубежные обозначения на схемах двухвходовых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ показаны на рис. 3.15 . Все эти элементы бывают с выходами типа 2С, ОК и 3С. В последнем случае обязательно имеется вход разрешения –EZ.
Нетрудно заметить (см. табл. 3.4) , что в случае отрицательной логики, при нулевых входных и выходных сигналах, элемент И выполняет функцию ИЛИ, то есть на выходе будет нуль в случае, когда хотя бы на одном из входов нуль. А элемент ИЛИ при отрицательной логике выполняет функцию И, то есть на выходе будет нуль только тогда, когда на всех входах присутствуют нули. И так как в реальных электронных устройствах сигналы могут быть любой полярности (как положительные, так и отрицательные), то надо всегда очень аккуратно выбирать требуемый в каждом конкретном случае элемент. Особенно об этом важно помнить тогда, когда последовательно соединяются несколько разноименных логических элементов с инверсией и без нее для получения сложной функции.
Поэтому элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ разработчику далеко не всегда удобно применять именно как выполняющие указанные в их названии логические функции. Иногда их удобнее использовать как элементы разрешения/запрещения или смешивания/совпадения. Но сначала мы рассмотрим случаи реализации именно логических функций на этих элементах.
На рис. 3.16 приведены примеры формирования элементами выходных сигналов на основании требуемых временных диаграмм входных и выходных сигналов. В случае а выходной сигнал должен быть равен единице при двух единичных входных сигналах, следовательно, достаточно элемента 2И. В случае б выходной сигнал должен быть равен нулю, когда хотя бы один из входных сигналов равен единице, следовательно, требуется элемент 2ИЛИ-НЕ. Наконец, в случае в выходной сигнал должен быть равен нулю при одновременном приходе единичного сигнала Вх. 1, нулевого сигнала Вх. 2 и единичного сигнала Вх. 3. Следовательно, требуется элемент 3И-НЕ, причем сигнал Вх. 2 надо предварительно проинвертировать.
Рис.
3.16.
Примеры применения элементов И
и ИЛИ
Любой из логических элементов рассматриваемой группы можно рассматривать как управляемый пропускатель входного сигнала (с инверсией или без нее).
Например, в случае элемента 2И-НЕ один из входов можно считать информационным, а другой - управляющим. В этом случае при единице на управляющем входе выходной сигнал будет равен проинвертированному входному сигналу, а при нуле на управляющем входе выходной сигнал будет постоянно равен единице, то есть прохождение входного сигнала будет запрещено. Элементы 2И-НЕ с выходом ОК часто используют именно в качестве управляемых буферов для работы на мультиплексированную или двунаправленную линию.
Точно так же в качестве элемента разрешения/запрещения могут применяться элементы И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ (рис. 3.17) . Разница между элементами состоит только в полярности управляющего сигнала, в инверсии (или ее отсутствии) входного сигнала, а также в уровне выходного сигнала (нуль или единица) при запрещении прохождения входного сигнала.
Рис.
3.17.
Разрешение/запрещение прохождения
сигналов на элементах И, И-НЕ,
ИЛИ, ИЛИ-НЕ
Рис.
3.18.
Появление лишнего фронта при
запрещении входного сигнала
При использовании элементов разрешения/запрещения могут возникнуть дополнительные проблемы в случае, когда сигнал с выхода элемента идет на вход, реагирующий на фронт сигнала. В момент перехода из состояния разрешения в состояние запрещения и из состояния запрещения в состояние разрешения в выходном сигнале может появиться дополнительный фронт, никак не связанный с входным сигналом (рис. 3.18). Чтобы этого не произошло, надо придерживаться следующего простого правила: если вход реагирует на положительный фронт, то в состоянии запрещения на выходе элемента должен быть нуль, и наоборот.
Иногда необходимо реализовать функцию смешивания двух сигналов той или иной полярности. То есть выходной сигнал должен вырабатываться как при приходе одного входного сигнала, так и при приходе другого входного сигнала. Если оба входных сигнала положительные и выходной сигнал положительный, то мы имеем в чистом виде функцию ИЛИ, и требуется элемент 2ИЛИ. Однако при отрицательных входных сигналах и отрицательном выходном сигнале для такого же смешивания понадобится уже элемент 2И. А если полярность входных сигналов не совпадает с нужной полярностью выходного сигнала, то нужны уже элементы с инверсией (И-НЕ при положительных выходных сигналах и ИЛИ-НЕ при отрицательных выходных сигналах). На рис. 3.19 показаны варианты смешивания на разных элементах.
Рис.
3.19.
Реализация смешивания двух
сигналов
Наконец, рассматриваемые элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ иногда бывает удобно применять в качестве схем совпадения различных сигналов. То есть выходной сигнал должен вырабатываться тогда, когда сигналы на входах совпадают (приходят одновременно). Если же совпадения нет, то выходной сигнал должен отсутствовать. На рис. 3.20 показаны варианты таких схем совпадения на четырех разных элементах. Различаются они полярностями входных сигналов, а также наличием или отсутствием инверсии выходного сигнала.
Рис.
3.20.
Схемы совпадения двух сигналов
Рассмотрим два примера совместного использования элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ (рис. 3.21 ).
Рис.
3.21.
Примеры совместного использования
элементов
Пусть необходимо смешать два сигнала, каждый из которых может быть разрешен или запрещен. Пусть полярность входных сигналов и сигналов разрешения - положительная, а выходной сигнал должен быть отрицательным. В этом случае надо взять два двухвходовых элемента И и смешать их выходные сигналы с помощью двухвходового элемента ИЛИ-НЕ (а).
Пусть необходимо смешать два отрицательных сигнала и один положительный сигнал, причем результирующий сигнал может быть разрешен или запрещен. Полярность сигнала разрешения - отрицательная, полярность выходного сигнала - отрицательная. Для этого нужно взять трехвходовой элемент И, инвертор для отрицательного входного сигнала и двухвходовой элемент ИЛИ (б).
Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ могут использоваться также в качестве инверторов или повторителей (рис. 3.22) , для чего необходимо объединить входы или на неиспользуемые входы подать сигнал нужного уровня. Второе предпочтительнее, так как объединение входов не только увеличивает входной ток, но и несколько снижает быстродействие элементов.
Рис.
3.22.
Инверторы и повторители
Рис. 3.23. Объединение по И входов микросхем
По функции И часто объединяются входы более сложных микросхем. Иначе говоря, какая-то функция выполняется только тогда, когда на все объединенные по И входы поступают сигналы нужной полярности. Чаще всего по И объединяются входы выбора микросхемы CS и входы управления третьим состоянием выхода микросхемы EZ. На рис. 3.23 показано три примера такого объединения по И. При этом надо учитывать, что на инверсные входы для выполнения функции должны поступать нулевые сигналы, а на прямые входы - единичные сигналы. Примерами могут служить микросхемы КР556РТ4, КР556РТ5, КР1533АП14, КР1533АП15.
До сих пор, рассматривая элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, мы не выходили за рамки первого уровня представления (логической модели). Это вполне допустимо в том случае, когда входные сигналы элементов не меняются одновременно или почти одновременно, когда их фронты разнесены во времени существенно (больше, чем на время задержки элемента). При одновременном изменении входных сигналов все будет гораздо сложнее необходимо привлекать второй и порой третий уровень представления. В момент изменения входных сигналов выходной сигнал становится неопределенным, нестабильным, непредсказуемым. В результате при неправильном проектировании может не работать вся сложная схема, целый прибор или даже большая система.
Например, возьмем логический элемент 2И-НЕ. Пусть на его входы приходят сигналы, изменяющиеся одновременно, причем в противофазе, то есть один переключается из нуля в единицу, а другой - из единицы в нуль. Пусть по тем или иным причинам (вследствие передачи по проводам, вследствие разных задержек элементов и т.д.) один из сигналов чуть-чуть сдвинулся во времени относительно другого (рис. 3.24) . При этом на двух входах в течение кратковременного периода будет присутствовать два единичных сигнала. В результате выход начнет переключаться из единицы в нуль. Он может успеть переключиться, и тогда сформируется короткий импульс. Он может не успеть переключиться, и тогда импульса не будет. Он может иногда успевать переключиться, а иногда не успевать, и тогда выходной импульс то будет появляться, то не будет. Здесь все зависит от быстродействия элемента и величины задержки. Последняя ситуация наиболее неприятна, так как может вызвать нестабильную неисправность, выявить которую крайне сложно.
Рис.
3.24.
Короткий импульс на выходе
элемента 2И-НЕ
В качестве примера возьмем одно из самых распространенных применений рассматриваемых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ - селектирование кодов. Суть селектирования сводится к следующему. Пусть имеется некоторая шина, по которой передаются коды. Необходимо выявить появление на этой шине какого-то определенного кода, то есть сформировать выходной сигнал, соответствующий требуемому входному коду.
Рис.
3.25.
Селектирование кодов со
стробированием
Схема, выполняющая такую функцию, довольно проста (рис. 3.25) . В ее основе - многовходовые элементы И-НЕ. При этом сигналы, соответствующие разрядам кода, на которых должны быть единицы, подаются непосредственно на входы элементов И-НЕ. А сигналы, соответствующие разрядам кода, на которых должны быть нули, подаются на входы элементов И-НЕ через инверторы. Выходные сигналы элементов И-НЕ объединяются с помощью элемента ИЛИ-НЕ. В результате на выходе элемента ИЛИ-НЕ формируется сигнал Вых. 1 в тот момент, когда на входе присутствует нужный код.
Подробнее о синхронизации будет рассказано в следующих лекциях.
Однако бывают случаи, когда указанная особенность элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ формировать короткие импульсы при изменении входных сигналов оказывается очень полезной. Например, нам необходимо сформировать короткий импульс по положительному или отрицательному фронту имеющегося сигнала. Тогда этот сигнал инвертируют, специально задерживают с помощью цепочки элементов или емкости и подают исходный сигнал и задержанный сигнал на входы элемента (рис. 3.26) .
Рис.
3.26.
Формирователи коротких импульсов
по фронту входного сигнала
Импульс по положительному фронту входного сигнала формируется на элементе 2И или 2И-НЕ (а), а импульс по отрицательному фронту входного сигнала - на элементе 2ИЛИ или 2ИЛИ-НЕ (б). Если элемент с инверсией, то выходной импульс будет отрицательным, если без инверсии, то положительным. При указанной на схемах величине емкости длительность импульса получается около 50 нс. Для увеличения длительности импульса надо увеличивать величину емкости или же количество инверторов в цепи задержки (при этом количество инверторов обязательно должно быть нечетным).
