Основные параметры логических элементов
Для характеристики микросхем используется следующая система параметров:
- выходные напряжения низкого и высокого уровня (UOL, UOH) при заданных токах нагрузки;
- входные токи низкого и высокого уровня (IIL, IIH);
- порог переключения UTH;
- абсолютная помехоустойчивость по отношению к помехам положительной полярности UП+ и отрицательной полярности UП--;
- мощность РCC или ток ICC, потребляемые от источника питания;
- времена задержек распространения сигнала от входа до выхода.
Параметры цифровых схем определяются по их характеристикам.
Рассмотренная система параметров ЦИС указывается в справочной литературе.
Основу для разработки устройств ВТ составляют логические элементы, выполняющие различные логические функции: И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ и т.д. На рисунке 1.4 показаны условные графические изображения логических элементов (ЛЭ) НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и исключающее ИЛИ, а также их соответствующие изображения, приводящиеся в зарубежной литературе.
Рисунок 1.4 УГО логических элементов
При изучении данной темы важное внимание следует уделить применению законов алгебры логики для преобразования логической функции к удобному для разработки оптимальной схемы виду. Следует изучить принципы минимизации логических функций, выбор элементной базы для разработанной схемы.
Вопросы и задачи для самопроверки
1. Какие ИМС называются цифровыми?
2. Классификационные признаки ИМС.
3. Что называется степенью интеграции ИМС?
4. Что обозначает наименование ИМС КР155ЛЕ3?
5. Основные законы алгебры логики.
6. Способы представления логических функций.
7. Как записать функцию в СДНФ, СКНФ?
8. Правила минимизации логических функций.
Раздел 2. ТИПОВЫЕ УЗЛЫ И УСТРОЙСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ
Тема 2.1 Последовательностные цифровые устройства
Триггеры
Триггером называется логическое устройство с памятью, имеющее один или более входов и два взаимно противофазных выхода Q и 
, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний: Q = 0, = 1 или Q=1, = 0.
Выходы триггера скачкообразно переходят из одного устойчивого состояния в другое под воздействием входных сигналов.
Промышленность выпускает большое количество микросхем триггеров различных типов. Классификация триггеров приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1
По назначению триггеры делятся на четыре основных типа: RS-триггеры, D-триггеры, Т-триггеры, JK-триггеры.
RS-триггеры – триггеры с раздельными установочными входами, используются для установки выходов триггера в одно из устойчивых состояний. Служат основой для разработки других, более сложных типов триггеров, для устранения дребезга механических контактов.
D-триггеры – информационные триггеры (триггеры задержки). Используются для разработки регистров.
T-триггеры – счетные триггеры. Являются основой для разработки всех типов счетчиков.
JK-триггеры – универсальные триггеры, на их основе можно реализовать все остальные типы триггеров.
По наличию синхронизации триггеры делятся на синхронные и асинхронные.
В асинхронных триггерах состояние выходов меняется сразу же после подачи соответствующей комбинации входных сигналов.
В синхронных триггерах имеется дополнительный вход синхронизации (вход С). Состояние выходов под воздействием комбинации входных сигналов может изменится только при наличии разрешения на входе синхронизации.
Синхронные триггеры, в свою очередь, делятся на синхронные статические (разрешение на срабатывание выдается в виде потенциала логического нуля или логической единицы на входе С) и синхронные динамические (разрешение на срабатывание триггера выдается в виде перепада сигнала из "0" в "1" (фронтом) или из "1" в "0" (срезом)).
Используя все многообразие триггеров, можно выбрать необходимый тип триггера как по назначению, так и по способу синхронизации, тем более что с помощью несложных схемотехнических преобразований нетрудно прейти от одного типа триггера к другому.
В качестве примера рассмотрим JK-триггер. Условное графическое обозначение ИМС JK-триггера К155ТВ1 приведено на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 Условное графическое обозначение ИМС К155ТВ1
Микросхема имеет по входам J и K дополнительную логику 3И, дополнительные асинхронные установочные входы S и R.
Регистры
Регистрами называются устройства, предназначенные для приема и хранения n-разрядного цифрового кода. Регистры выполняют операции приема, хранения и передачи слов, и предназначены для построения на их основе многоразрядных схем памяти, преобразователей последовательного кода в параллельный и обратно, сдвигателей и т.д.
По способу записи слова в регистры они делятся на параллельные, последовательные (сдвигающие) и параллельно-последовательные (универсальные).
В параллельных регистрах запись слова происходит одновременно во все разряды регистра.
Последовательные регистры характеризуются последовательной записью слова, начиная с младших или старших разрядов.
Последовательно-параллельные регистры имеют входы и выходы как для параллельной, так и для последовательной записи и выдачи информации. На основе таких регистров осуществляются операции преобразования из последовательного кода в параллельный и обратно.
Наиболее распространенными являются статические регистры. Каждому разряду слова, записанному в такой регистр, соответствует свой разряд регистра, выполненный на основе триггера, чаще всего типа RS или D. Разряды регистра нумеруются в порядке нумерации разрядов в слове.
Находят также применение динамические регистры на динамических триггерах.
Параллельные регистры представляет собой совокупность триггеров, имеющих общие сигналы управления и синхронизации и индивидуальные входы и выходы. В стандартные серии микросхем входит большое количество 4- и 8-разрядных параллельных регистров. 8-разрядные регистры представлены такими микросхемами как ИР23, ИР27, ИР35, отличающимися набором управляющих сигналов и схемами выходов. В регистре ИР22 запись информации осуществляется по высокому уровню тактового сигнала. При построении регистров с разрядностью больше 8 используют стандартные 4- или 8-разрядные регистры, у которых управляющие и тактовые входы объединены.
Регистры сдвига (последовательные регистры) представляют собой цепочку взаимосвязанных поразрядных схем и предназначены для сдвига слова на один разряд вправо или влево. Различают однонаправленные и реверсивные регистры сдвига.
Структура сдвигающих регистров со сдвигом на один разряд вправо, построенных на синхронных D-триггерах, показана на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 Структура регистра со сдвигом вправо
Примером универсального регистра может служить ИМС К155ИР1. Схема имеет два тактовых входа С1,С2, тактируемых срезом, управляющий вход выбора режима работы V2, один информационный вход V1(D0) для занесения информации в последовательном коде, четыре информационных входа Dl – D8 для занесения информации в параллельном коде и четыре выхода с каждого разряда регистра 1,2,4,8.
Схема может работать в четырех режимах, в которых можно выполнить: сдвиг информации вправо, сдвиг информации влево, параллельное занесение, хранение.
Счетчики
Счетчиком называется логическое устройство, предназначенное для подсчета числа сигналов, поданных на вход, и запоминания результата счета. Счетчики применяются в различных цифровых устройствах и строятся на основе счетных триггеров.
Специфичной для счетчиков является операция инкремента (или декремента), т.е. изменение его содержимого на единицу. Счетчики, прежде всего, характеризуются модулем счета М, который определяет максимальное число состояний выходов счетчика. Модуль счета часто называют также коэффициентом деления частоты. Счетчики классифицируются по значению модуля, направлению счета, способу организации межразрядных связей.
По значению модуля счета различают двоичные (М=2n), двоично-кодированные с произвольным модулем, счетчики двоично-десятичные и др.
По направлению счета счетчики делятся на суммирующие (прямого счета), вычитающие (обратного счета) и реверсивные (с изменением направления счета).
По способу организации межразрядных связей различают счетчики с последовательным, параллельным и комбинированными переносами.
Двоичные счетчики имеют модуль счета, равный М=2n. В двоично-десятичных счетчиках модуль счета равен 10. Состояние выходов счетчиков, отображающее результат счета, выражается двоичным или двоично-десятичным кодом.
На рисунке 2.4 приведены функциональные схемы асинхронных суммирующих двоичных счетчиков, из которых видно, что можно использовать как триггеры, тактируемые фронтом, так и триггеры, тактируемые срезом. Триггеры в асинхронных счетчиках соединяются друг с другом последовательно. Количество триггеров в счетчиках зависит от требуемого модуля счета.
Рисунок 2.4 Схемы суммирующих счетчиков
В стандартные серии микросхем входит большое количество двоичных и двоично-десятичных счетчиков. К последовательным счетчикам относятся ИС типа ИЕ5, ИЕ15 (ИЕ14), ИЕ19 (ИЕ20). Причем в счетчике ИЕ15 имеются входы предварительной загрузки числа. К реверсивным счетчикам относятся микросхемы ИЕ7 (ИЕ6), ИЕ13, ИЕ17, ИЕ18. Реверсивные счетчики, как правило, имеют входы предварительной загрузки числа. Параллельные суммирующие счетчики представлены микросхемами ИЕ10 (ИЕ9).
Замечание: в скобках указаны двоично-десятичные счетчики.
Для получения счетчиков с коэффициентом пересчета больше М = 2n используется их каскадное включение. В последовательных счетчиках выход предыдущего счетчика соединяется с тактовым входом последующего, а их цепи установки или сброса объединяются. В реверсивных счетчиках, как правило, имеются специальные выходы группового переноса, которые соединяются с соответствующими счетными входами более “старшего” счетчика.
В качестве примера рассмотрим ИМС счетчика К555ИЕ6 (рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 Условное графическое обозначение ИМС К555ИЕ6
Схема имеет: два счетных входа +1 и –1 для подачи счетных импульсов в режиме суммирующего и вычитающего счетчика; управляющий вход выбора режима работы V; выход переноса >9 и выход займа <0; вход R для установки выходов счетчика в "0"; четыре входа D1, D2, D4, D8 для занесения информации в параллельном коде и четыре выхода с каждого разряда счетчика 1,2,4,8.
Схема может работать в четырех режимах в зависимости от состояния установочных и управляющих входов: режим установки в "0", режим параллельной записи, режим хранения, режим счета.
Микросхемы памяти
ИМС запоминающих устройств (ЗУ) служат для хранения больших массивов информации и обмена ею с другими частями вычислительной машины или системы.
По способу записи и считывания информации ИМС ЗУ можно разделить на следующие типы:
- оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), которые предназначены для хранения данных, участвующих в текущих вычислениях. В связи с этим, быстродействие ОЗУ во многом определяет скорость работы ЭВМ. В зависимости от способа построения ячейки памяти (ЯП) ОЗУ подразделяются на статические и динамические схемы памяти.
- постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения программ, констант, таблиц элементарных функций и т.д. В свою очередь, по способу записи информации они подразделяются на:
- масочные, информация в которые записывается в процессе производства;
- однократно программируемые или прожигаемые (ППЗУ), запись информации в которые осуществляется путем пережигания плавких перемычек, изготовленных, как правило, из тугоплавких металлов;
- многократно программируемые или репрограммируемые с ультрафиолетовым стиранием информации (РППЗУ);
- многократно программируемые с электрическим стиранием (ЭСППЗУ).
К основным характеристикам ЗУ относятся:
- емкость или максимально возможный объем хранимой информации. Емкость ЗУ обычно измеряют в Кбитах (1024 бита);
- организация ЗУ - количество и разрядность хранимых слов. Например, указание емкости ЗУ в виде 8Кх8 означает, что в ЗУ емкостью 64 Кбит хранится 8 К слов по 8 разрядов;
- быстродействие ЗУ оценивается временем считывания, записи и обращения. Временем считывания называется интервал времени между появлением сигнала считывания и моментом появления информации на выходе. Аналогично, временем записи называют время от момента появления сигнала записи до ее завершения. Обращением к ЗУ называют операцию, в результате которой происходит считывание или запись информации. Временем обращения является интервал между двумя последовательными обращениями к ЗУ.
При изучении данной темы нужно усвоить алгоритмы функционирования типовых устройств ВТ, их разновидности. Особое внимание следует уделить работе со справочной литературой при изучении промышленных типов микросхем рассматриваемых устройств.
Вопросы для самопроверки
1. Классификация триггеров по назначению.
2. Способы синхронизации триггеров.
3. Назначение и принцип действия триггеров RS, T, D типа.
4. Использование JK-триггера в качестве RS, T, D-триггеров.
5. Сравнительный анализ триггеров по степени помехозащищенности.
6. Примеры различных типов триггеров на интегральных микросхемах.
7. Определение, классификация и применение регистров.
8. Режим параллельного занесения информации в регистр.
9. Режим последовательного занесения информации в регистр.
10. Определение, классификация и применение счетчиков.
11. Режим параллельного занесения информации в счетчик К155ИЕ6.
12. Режим суммирования в счетчике К155ИЕ6.
13. Режим вычитания в счетчике на ИМС К155ИЕ6.
14. Назначение и классификация микросхем памяти.
15. Основные параметры микросхем памяти.