Цифровая схемотехника. Логические элементы «импликаторы». Логические элементы ИЛИ-И
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.
Изучение цифровой схемотехники нужно начинать с теории автоматов. В этой статье можно найти некоторые элементарные вещи, которые помогут не потеряться в дальнейших статьях. Я постарался сделать статью легкочитабельной и уверен, что неподготовленный читатель сможет в ней легко разобраться.
Сигнал
- материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигнал, в отличие от сообщения, может генерироваться, но его приём не обязателен (сообщение должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением, а всего лишь сигналом).
В статье рассматривается цифровой дискретный сигнал. Это такой сигнал, который имеет несколько уровней. Очевидно, что двоичный сигнал имеет два уровня - и их принимают за 0 и 1. Когда высокий уровень обозначается единицей, а низкий нулем - такая логика называется позитивной, иначе негативной.
Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.
В природе дискретных сигналов не существует, по этому их заменяют аналоговыми. Аналоговый сигнал не может перейти из 0 в 1 мгновенно, по этому такой сигнал обладает фронтом и срезом .
Если рисовать упрощенно то это выглядит так:
1 - низкий уровень сигнала, 2 - высокий уровень сигнала, 3 - нарастание сигнала (фронт), 4 - спад сигнала (срез)
Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции. Вот основные:
Отрицание - инвертирует сигнал.
На схемах обозначается так:
Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция)
На схеме:
Логическое И (логическое умножение, конъюнкция)
На схеме:
Последние два могут иметь отрицание на выходе (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Значения их логических функций инвертируются, а на схеме выход рисуется кружочком. 
Сводная таблица логических функций двух аргументов выглядит так:
Работа с логическими функциями основывается на законах алгебры логики , основы которых изложены в прикрепленном файле. Так же там есть задания для самоконтроля и контрольные вопросы по теме.
Проектирование логических схем с помощью функций алгебры логики
Логической схемой называется совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы выполнялся заданный закон функционирования схемы, иначе говоря, - выполнялась заданная логическая функция.По зависимости выходного сигнала от входного все электронные логические схемы можно условно разбить на:
Схемы первого рода , т.е. комбинационные схемы , выходной сигнал которых зависит только от состояния входных сигналов в каждый момент времени;
Схемы второго рода или накапливающие схемы (схемы последовательностные ), содержащие накапливающие схемы (элементы с памятью ), выходной сигнал которых зависит как от входных сигналов, так и от состояния схемы в предыдущие моменты времени.
По количеству входов и выходов схемы бывают: с одним входом и одним выходом, с несколькими входами и одним выходом, с одним входом и несколькими выходами, с несколькими входами и выходами.
По способу осуществления синхронизации схемы бывают с внешней синхронизацией (синхронные автоматы), с внутренней синхронизацией (асинхронные автоматы являются их частным случаем).
Практически любой компьютер состоит из комбинации схем первого и второго рода разной сложности. Таким образом, основой любого цифрового автомата, обрабатывающего цифровую информацию, являются электронные элементы двух типов: логические или комбинационные и запоминающие . Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие служат для ее хранения. Как известно, логическая операция состоит в преобразовании по определенным правилам входной цифровой информации в выходную.
Можно считать, что элементарные логические функции являются логическими операторами упомянутых электронных элементов, т.е. схем. Каждая такая схема обозначается определенным графическим символом. (Они были представлены выше - Элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ)
В качестве примера ниже представлена схема электрическая функциональная логического преобразователя (комбинационного автомата), реализующего логическую функцию 
в элементном базисе из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
Для закрепления предлагаю, самостоятельно синтезировать логическую схему, реализующую следующие логические функции:
Сделать это можно к примеру в Electronic workbench.
Вот для примера первое выполненное задание:
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
25 апреля 2010 в 16:16Самостоятельное изучение схемотехники. Основные понятия. Часть 1
- Электроника для начинающих
Изучение цифровой схемотехники нужно начинать с теории автоматов. В этой статье можно найти некоторые элементарные вещи, которые помогут не потеряться в дальнейших статьях. Я постарался сделать статью легкочитабельной и уверен, что неподготовленный читатель сможет в ней легко разобраться.
Сигнал
- материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигнал, в отличие от сообщения, может генерироваться, но его приём не обязателен (сообщение должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением, а всего лишь сигналом).
В статье рассматривается цифровой дискретный сигнал. Это такой сигнал, который имеет несколько уровней. Очевидно, что двоичный сигнал имеет два уровня - и их принимают за 0 и 1. Когда высокий уровень обозначается единицей, а низкий нулем - такая логика называется позитивной, иначе негативной.
Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.
В природе дискретных сигналов не существует, по этому их заменяют аналоговыми. Аналоговый сигнал не может перейти из 0 в 1 мгновенно, по этому такой сигнал обладает фронтом и срезом .
Если рисовать упрощенно то это выглядит так:
1 - низкий уровень сигнала, 2 - высокий уровень сигнала, 3 - нарастание сигнала (фронт), 4 - спад сигнала (срез)
Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции. Вот основные:
Отрицание - инвертирует сигнал.
На схемах обозначается так:
Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция)
На схеме:
Логическое И (логическое умножение, конъюнкция)
На схеме:
Последние два могут иметь отрицание на выходе (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Значения их логических функций инвертируются, а на схеме выход рисуется кружочком.
Сводная таблица логических функций двух аргументов выглядит так:
Работа с логическими функциями основывается на законах алгебры логики , основы которых изложены в прикрепленном файле. Так же там есть задания для самоконтроля и контрольные вопросы по теме.
Проектирование логических схем с помощью функций алгебры логики
Логической схемой называется совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы выполнялся заданный закон функционирования схемы, иначе говоря, - выполнялась заданная логическая функция.По зависимости выходного сигнала от входного все электронные логические схемы можно условно разбить на:
Схемы первого рода , т.е. комбинационные схемы , выходной сигнал которых зависит только от состояния входных сигналов в каждый момент времени;
Схемы второго рода или накапливающие схемы (схемы последовательностные ), содержащие накапливающие схемы (элементы с памятью ), выходной сигнал которых зависит как от входных сигналов, так и от состояния схемы в предыдущие моменты времени.
По количеству входов и выходов схемы бывают: с одним входом и одним выходом, с несколькими входами и одним выходом, с одним входом и несколькими выходами, с несколькими входами и выходами.
По способу осуществления синхронизации схемы бывают с внешней синхронизацией (синхронные автоматы), с внутренней синхронизацией (асинхронные автоматы являются их частным случаем).
Практически любой компьютер состоит из комбинации схем первого и второго рода разной сложности. Таким образом, основой любого цифрового автомата, обрабатывающего цифровую информацию, являются электронные элементы двух типов: логические или комбинационные и запоминающие . Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие служат для ее хранения. Как известно, логическая операция состоит в преобразовании по определенным правилам входной цифровой информации в выходную.
Можно считать, что элементарные логические функции являются логическими операторами упомянутых электронных элементов, т.е. схем. Каждая такая схема обозначается определенным графическим символом. (Они были представлены выше - Элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ)
В качестве примера ниже представлена схема электрическая функциональная логического преобразователя (комбинационного автомата), реализующего логическую функцию в элементном базисе из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
Для закрепления предлагаю, самостоятельно синтезировать логическую схему, реализующую следующие логические функции:
Сделать это можно к примеру в Electronic workbench.
Вот для примера первое выполненное задание:
ЛЕКЦИИ
По дисциплине
"Организация и функционирование ЭВМ"
для учащихся
специальности 2-40 01 01«Программное обеспечение информационных технологий»
Ошмяны 2010 г.
АННОТАЦИЯ
На лекционный материал по дисциплине "Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий», разработанный преподавателем УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж» М.Г. Шаткевич.
Актуальность методического материала, его значение. Данный набор лекций представляет собой комплекс материалов, необходимых для качественной организации работы учащихся на практических занятиях по освоению дисциплины " Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий»,
Лекции разработаны в строгом соответствии с действующим в УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж» Положением об учебно-методических комплексах дисциплин. В состав комплекса вошли лекции по всем разделам дисциплины «Организация и функционирование ЭВМ».
Возможность практического применения. Комплекс лекций может быть рекомендован преподавателям при подготовке и проведении занятий по дисциплине "Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий», а также учащимся дневной формы обучения при самостоятельном изучении.
Заключение цикловой комиссии. Комплекс лекций рассмотрен на заседании цикловой комиссии юридических дисциплин и информационных технологий, рекомендован к внутриколледжскому использованию (протокол №___ от «____»______________________20___г.).
Введение. 4
Представление информации в ЭВМ... 5
Коды с выявлением ошибок. 9
Коды с исправлением ошибок. 10
Раздел 2. Алгебра логики и теоретические основы синтеза цифровых устройств . 11
Элементы математической логики. 11
Формы логических функций и их использование для синтеза логических схем.. 13
Логические элементы и схемы. Классификация логических устройств. 15
Методы минимизации логических функций. 17
Раздел 3. Синтез комбинационных схем .. 18
Этапы построения логической схемы.. 18
Мультиплексоры и демультиплексоры.. 20
Дешифраторы и шифраторы.. 22
Компараторы, сумматоры.. 24
Раздел 4. Триггерные элементы цифровых устройств . 25
Классификация триггеров и их общие характеристики. Асинхронный RS-триггер и его разновидности 25
Асинхронные триггеры с одним входом.. 27
Cинхронные триггеры.. 29
Раздел 5. Синтез цифровых автоматов . 31
Регистры. Регистр сдвига. 31
Счетчики по mod M. Реверсивные счетчики. Синтез последовательных схем.. 33
Раздел 6. Современное состояние и перспективы развития элементной базы и средств вычислительной техники . 35
Введение
Курс Организация и функционирование ЭВМ построен на фундаментальном утверждении о том, что: Компьютер можно рассматривать как иерархию структурных уровней организации.
Это утверждение в равной мере относится как к аппаратной организации, так и к структуре и организации программного обеспечения. На верхнем уровне иерархии находятся проблемно ориентированные программные средства, такие, как Mathcad (для решения математических задач), Visual Basic для офисных приложений, уровнем ниже расположены процедурно ориентированные языки (Си/Си++, Паскаль)..., самый нижний уровень это уровень физической реализации цифровых логических элементов.
Основная цель курса: знакомство с уровнем физической реализации и с некоторыми теоретическими основами, используемыми для описания нижних уровней организации:
ü принцип цифрового представления данных в технических устройствах;
ü основы алгебры логики и ее использование для описания функционирования цифровых устройств;
ü системы счисления;
ü некоторые основные понятия цифровой схемотехники: комбинационные логические устройства и устройства с памятью (триггеры, регистры, счетчики).
Значительная часть изучаемых вопросов носит прикладной характер, и существенно помогает в обоснованном выборе подходящих приемов в конкретных ситуациях, позволяя иной раз существенно повысить эксплуатационные характеристики программных модулей (уменьшить объем потребной памяти, либо время выполнения).
Целью преподавания дисциплины «Организация и функционирование ЭВМ» является изучение физических основ построения и функционирования современных средств вычислительной техники, принципов построения и работы элементов, узлов и устройств ЭВМ. Дисциплина включает сведения об арифметических, логических и схемотехнических основах построения ЭВМ и является базовой для последующего изучения дисциплины «Микропроцессорная техника».
Дисциплина базируется на знаниях, полученных учащимися при изучении дисциплин «Математика», «Информатика».
Для изучения учебного материала предусматриваются практические и лабораторные работы. Программа дисциплины рассчитана на 68 часов, из них 34 часа – лекции, 24 часа – практические занятия, 10 часов – лабораторные занятия.
Список литературы
1. Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и
2. проектирования: Учебное пособие. – К.: «МК-Пресс», 2004
3. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006
4. Лысиков Б.Г. Цифровая и вычислительная техника.- Мн.: УП Экоперспектива, 2002
5. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001
6. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004
7. Бойко В. И. Схемотехника электронных схем. Микропроцессоры и микроконтроллеры. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004
8. Цилькер Б. Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. – СПб.: Питер, 2004
9. Информатика: учебник/ Б.В. Соболь – Ростов н/Д: Феникс, 2006
Раздел 1. Математические основы цифровой схемотехники
