Ψηφιακό κύκλωμα. ΟΧΙ λογικές πύλες. Λειτουργικά πλήρη σύνολα λογικών πυλών

25 Απριλίου 2010 στις 4:16 μ.μ

Ανεξάρτητη μελέτη σχεδίασης κυκλώματος. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ. Μέρος 1

Ηλεκτρονικά για αρχάριους

Η μελέτη των ψηφιακών κυκλωμάτων πρέπει να ξεκινήσει με τη θεωρία των αυτομάτων. Σε αυτό το άρθρο μπορείτε να βρείτε μερικά βασικά πράγματα που θα σας βοηθήσουν να μην χαθείτε σε περαιτέρω άρθρα. Προσπάθησα να κάνω το άρθρο ευανάγνωστο και είμαι βέβαιος ότι ένας ανεκπαίδευτος αναγνώστης θα μπορέσει να το καταλάβει εύκολα.

Σήμα- ένα μέσο αποθήκευσης υλικού που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση μηνυμάτων μέσω ενός συστήματος επικοινωνίας. Ένα σήμα, σε αντίθεση με ένα μήνυμα, μπορεί να δημιουργηθεί, αλλά δεν απαιτείται η λήψη του (το μήνυμα πρέπει να γίνει αποδεκτό από τον παραλήπτη, διαφορετικά δεν είναι μήνυμα, αλλά απλώς σήμα).

Το άρθρο εξετάζει ένα ψηφιακό διακριτό σήμα. Αυτό είναι ένα σήμα που έχει πολλά επίπεδα. Προφανώς, ένα δυαδικό σήμα έχει δύο επίπεδα - και λαμβάνονται ως 0 και 1. Πότε υψηλό επίπεδοσυμβολίζεται με ένα, και χαμηλό με μηδέν - αυτή η λογική ονομάζεται θετική, διαφορετικά αρνητική.

Ένα ψηφιακό σήμα μπορεί να αναπαρασταθεί ως διάγραμμα χρονισμού.

Στη φύση διακριτά σήματαδεν υπάρχει, οπότε αντικαθίστανται από αναλογικά. Αναλογικό σήμαδεν μπορεί να πάει από το 0 στο 1 αμέσως, επομένως ένα τέτοιο σήμα έχει μια πρόσθια ακμή και μια πτώση.
Αν το σχεδιάσετε με απλοποιημένο τρόπο, μοιάζει με αυτό:

1 - χαμηλό επίπεδοσήμα, 2 - υψηλό επίπεδο σήματος, 3 - άνοδος σήματος (άκρη), 4 - πτώση σήματος (κοπή)

Τα σήματα μπορούν να μετατραπούν. Για το σκοπό αυτό, στην πράξη, χρησιμοποιούνται λογικά στοιχεία, και για την τυπική καταγραφή αυτού, χρησιμοποιούνται λογικές συναρτήσεις. Εδώ είναι τα κυριότερα:

Άρνηση - αντιστρέφει το σήμα.
Στα διαγράμματα υποδεικνύεται ως εξής:

Λογικό OR (λογική προσθήκη, διαχωρισμός)

Στο διάγραμμα:

Λογικό ΚΑΙ (λογικός πολλαπλασιασμός, σύνδεσμος)

Στο διάγραμμα:

Τα δύο τελευταία μπορεί να έχουν αρνητική έξοδο (NAND, NOR). Οι τιμές των λογικών τους συναρτήσεων αντιστρέφονται και η έξοδος σχεδιάζεται ως κύκλος στο διάγραμμα.

Ένας συνοπτικός πίνακας λογικών συναρτήσεων δύο ορισμάτων μοιάζει με αυτό:

Η εργασία με λογικές συναρτήσεις βασίζεται στους νόμους της λογικής άλγεβρας, τα βασικά των οποίων περιγράφονται στο συνημμένο αρχείο. Υπάρχουν επίσης εργασίες για αυτοέλεγχο και Ερωτήσεις ελέγχουπανω σε αυτο το θεμα.

Σχεδιασμός λογικών κυκλωμάτων με χρήση συναρτήσεων λογικής άλγεβρας

Λογικό κύκλωμαονομάζεται ένα σύνολο λογικών ηλεκτρονικά στοιχεία, συνδέονται μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε να εκπληρώνεται ο καθορισμένος νόμος λειτουργίας του κυκλώματος, με άλλα λόγια, να εκτελείται η καθορισμένη λογική λειτουργία.
Με βάση την εξάρτηση του σήματος εξόδου από το σήμα εισόδου, όλα τα ηλεκτρονικά λογικά κυκλώματα μπορούν να χωριστούν σε:

Σχέδια πρώτου είδους, δηλ. συνδυαστικά κυκλώματα, το σήμα εξόδου του οποίου εξαρτάται μόνο από την κατάσταση των σημάτων εισόδου σε κάθε χρονική στιγμή.

Σχέδια δεύτερου είδουςή κυκλώματα συσσώρευσης(σχέδιο ακολουθητικός), που περιέχει κυκλώματα συσσώρευσης ( στοιχεία με μνήμη), το σήμα εξόδου του οποίου εξαρτάται τόσο από τα σήματα εισόδου όσο και από την κατάσταση του κυκλώματος μέσα προηγούμενες στιγμέςχρόνος.

Ανάλογα με τον αριθμό των εισόδων και εξόδων, τα κυκλώματα μπορεί να είναι: με μία είσοδο και μία έξοδο, με πολλές εισόδους και μία έξοδο, με μία είσοδο και πολλές εξόδους, με πολλές εισόδους και εξόδους.

Σύμφωνα με τη μέθοδο συγχρονισμού, τα σχήματα χωρίζονται σε με εξωτερικό συγχρονισμό (σύγχρονα μηχανήματα), με εσωτερικό συγχρονισμό(τα ασύγχρονα αυτόματα είναι η ειδική περίπτωση τους).

Σχεδόν κάθε υπολογιστής αποτελείται από ένα συνδυασμό κυκλωμάτων του πρώτου και του δεύτερου τύπου ποικίλης πολυπλοκότητας. Έτσι, η βάση κάθε ψηφιακής μηχανής που επεξεργάζεται ψηφιακές πληροφορίες είναι ηλεκτρονικά στοιχεία δύο τύπων: σπαζοκεφαλιάή συνδυαστικήΚαι απομνημόνευση. Τα λογικά στοιχεία εκτελούν τις απλούστερες λογικές πράξεις σε ψηφιακές πληροφορίες και τα στοιχεία αποθήκευσης χρησιμεύουν για την αποθήκευση τους. Ως γνωστόν, λογική λειτουργίασυνίσταται στη μετατροπή ψηφιακών πληροφοριών εισόδου σε έξοδο σύμφωνα με ορισμένους κανόνες.

Μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι στοιχειώδεις λογικές συναρτήσεις είναι λογικούς τελεστέςτα αναφερόμενα ηλεκτρονικά στοιχεία, δηλ. συστήματα Κάθε τέτοιο σύστημα ορίζεται από ένα συγκεκριμένο γραφικό σύμβολο. (Παρουσιάστηκαν παραπάνω - Στοιχεία AND, OR, NOT, OR-NOT, AND-NOT)

Για παράδειγμα, παρακάτω είναι ένα ηλεκτρικό λειτουργικό διάγραμμα ενός λογικού μετατροπέα (συνδυαστική μηχανή) που υλοποιεί λογική λειτουργία στη στοιχειώδη βάση του λογικά στοιχείαΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ.

Για εμπέδωση, προτείνω να το συνθέσετε μόνοι σας λογικό κύκλωμα, υλοποιώντας τις ακόλουθες λογικές συναρτήσεις:

Αυτό μπορεί να γίνει, για παράδειγμα, στον Ηλεκτρονικό πάγκο εργασίας.

Ακολουθεί ένα παράδειγμα της πρώτης ολοκληρωμένης εργασίας:

Θα ξεκινήσουμε το ταξίδι σας στον κόσμο των ηλεκτρονικών με μια βουτιά στα ψηφιακά ηλεκτρονικά. Πρώτον, γιατί αυτή είναι η κορυφή της πυραμίδας ηλεκτρονικό κόσμο, Κατα δευτερον, ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣΤα ψηφιακά ηλεκτρονικά είναι απλά και κατανοητά.

Έχετε σκεφτεί ποτέ τι εκπληκτική ανακάλυψη στην επιστήμη και την τεχνολογία έχει σημειωθεί χάρη στα ηλεκτρονικά και ιδιαίτερα στα ψηφιακά ηλεκτρονικά; Αν όχι, τότε πάρτε το smartphone σας και κοιτάξτε το προσεκτικά. Ένας τόσο απλός σχεδιασμός είναι το αποτέλεσμα τεράστιας εργασίας και εκπληκτικών επιτευγμάτων της σύγχρονης ηλεκτρονικής. Η δημιουργία μιας τέτοιας τεχνικής έγινε δυνατή χάρη στην απλή ιδέα ότι οποιαδήποτε πληροφορία μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή αριθμών. Έτσι, ανεξάρτητα από τις πληροφορίες με τις οποίες δουλεύει η συσκευή, βαθιά μέσα της κάνει θρύψαλα αριθμούς.

Πιθανότατα είστε εξοικειωμένοι με τους ρωμαϊκούς και αραβικούς αριθμούς. Στο ρωμαϊκό σύστημα, οι αριθμοί αντιπροσωπεύονται ως συνδυασμός των γραμμάτων I, V, X, L, C, D, M και στα αραβικά χρησιμοποιώντας το συνδυασμό των συμβόλων 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Υπάρχουν όμως και άλλες μορφές αναπαράστασης αριθμών. Ένα από αυτά είναι η δυαδική μορφή. Ή, όπως αποκαλείται συχνότερα, το δυαδικό σύστημα αριθμών. Σε ένα τέτοιο σύστημα αριθμών, οποιοσδήποτε αριθμός είναι μια ακολουθία μόνο "0" και "1".

αραβικός	ρωμαϊκός	Δυάδικος
0	-	00
1	Εγώ	01
2	II	10
3	III	11

Οι μαθηματικοί και οι μηχανικοί έχουν εργαστεί σκληρά και σήμερα κάθε πληροφορία μπορεί να παρουσιαστεί ως συνδυασμός μηδενικών και μονάδων: ένα σήμα από έναν αισθητήρα κίνησης, μουσική, βίντεο, φωτογραφία, θερμοκρασία, ακόμα και αυτό το κείμενο που διαβάζετε τώρα βρίσκεται στην πραγματικότητα στο τα βάθη της συσκευής σας μοιάζουν με μια ακολουθία μηδενικών και μονάδων.

Ανεξάρτητα από τις πληροφορίες που χειρίζεται μια ψηφιακή συσκευή, κατά βάθος επεξεργάζεται αριθμούς.

Γιατί ακριβώς "0" και "1", και όχι "0", "1" και "2", για παράδειγμα; Μάλιστα, έχουν γίνει αρκετά επιτυχημένες προσπάθειες δημιουργίας ψηφιακή τεχνολογία, το οποίο χρησιμοποιεί όχι δυαδικό, αλλά τριαδικό σύστημα αριθμών ("0", "1" και "2"), αλλά το δυαδικό εξακολουθεί να κερδίζει.

Ίσως κέρδισε επειδή κατέρρευσε η ΕΣΣΔ ή ίσως επειδή το "0" και το "1" είναι πιο εύκολο να αναπαρασταθούν με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων. Αυτό σημαίνει ότι οι ψηφιακές συσκευές βασίζονται σε δυαδικό σύστημαΟι υπολογισμοί γίνονται ευκολότερα και φθηνότερα. Θα μιλήσω περισσότερο για τους δυαδικούς αριθμούς αργότερα.

Δομή μιας ψηφιακής συσκευής

Σχεδόν κάθε ψηφιακή συσκευή περιέχει τυπικά στοιχεία, συνδυασμό των οποίων αποτελείται. Κάποια στοιχεία είναι πολύ απλά, άλλα πιο περίπλοκα και άλλα εντελώς σύνθετα. Στην ερασιτεχνική πρακτική, τα πιο συνηθισμένα είναι: σκανδάλες, χρονόμετρα, μετρητές, καταχωρητές, μικροελεγκτές, συγκριτές κ.λπ.

Ας επιλέξουμε κάτι από αυτήν τη λίστα και ας δούμε πώς λειτουργεί. Ας είναι μικροελεγκτής (MK)! Εντάξει, θα το παραδεχτώ. Επέλεξα τον μικροελεγκτή για έναν λόγο. Γεγονός είναι ότι ήταν η έλευση των μικροεπεξεργαστών που έκανε μια πραγματική επανάσταση στην ηλεκτρονική και ώθησε την ανάπτυξή της σε ένα νέο επίπεδο.

Ο MK είναι ο πιο πολυάριθμος και δημοφιλής τύπος μικροεπεξεργαστών στον κόσμο. Αυτό που το κάνει ιδιαίτερο είναι ότι ο μικροελεγκτής είναι ένας μικροϋπολογιστής -- ολόκληρο τον υπολογιστήσε ένα τσιπ. Φανταστείτε έναν υπολογιστή μεγέθους, ας πούμε, μιας δεκάρας. Αυτό είναι το MK.

Οι μικροελεγκτές χρησιμοποιούνται παντού: σε σύγχρονες τηλεοράσεις, ψυγεία, ταμπλέτες, συστήματα ασφαλείας. Όπου κάτι χρειάζεται να ελεγχθεί, ένας μικροελεγκτής μπορεί να βρει τη θέση του. Και όλα αυτά χάρη στο γεγονός ότι, όπως κάθε μικροεπεξεργαστής, ο MK μπορεί να προγραμματιστεί. Ως αποτέλεσμα, ο ίδιος τύπος τσιπ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εκατοντάδες διαφορετικές συσκευές.

Σήμερα, τα πιο δημοφιλή είναι, για παράδειγμα, Μικροελεγκτές AVR, PIC, ARM. Κάθε μία από τις εταιρείες που παράγει τους αναφερόμενους τύπους μικροελεγκτών παράγει δεκάδες, αν όχι εκατοντάδες, ποικιλίες μικροελεγκτών σχεδιασμένων για όλες τις φανταστικές και ασύλληπτες εργασίες.

Πώς λειτουργεί ένας μικροελεγκτής;

Παρά την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού ενός πραγματικού μικροελεγκτή, μπορείτε να πείτε πώς λειτουργεί με μία μόνο φράση: "Το κείμενο του προγράμματος γράφεται στη μνήμη του μικροελεγκτή, το MK διαβάζει εντολές από αυτό το πρόγραμμα και τις εκτελεί", αυτό είναι όλα.

Φυσικά, το MK δεν μπορεί να εκτελέσει καμία εντολή. Αυτός έχει βασικό σετεντολές που καταλαβαίνει και ξέρει πώς να εκτελεί. Συνδυάζοντας αυτές τις εντολές, μπορείτε να αποκτήσετε σχεδόν οποιοδήποτε πρόγραμμα με το οποίο η συσκευή θα κάνει ακριβώς αυτό που θέλετε να κάνει.

ΣΕ σύγχρονος κόσμοςένας μικροεπεξεργαστής (η MK είναι επίσης μικροεπεξεργαστής, αλλά εξειδικευμένος) μπορεί να έχει είτε πολλά βασικές εντολές, ή πολύ λίγο. Αυτή είναι μια τέτοια υπό όρους διαίρεση για την οποία επινοήθηκαν ακόμη και δύο όροι: CISC και RISC. Το CISC είναι πολύ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙεντολές για όλες τις περιπτώσεις, RISC - αυτές είναι μόνο οι πιο απαραίτητες και συχνά χρησιμοποιούμενες εντολές, π.χ. μειωμένο σύνολο εντολών.

Οι περισσότεροι μικροελεγκτές είναι RISC. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι όταν χρησιμοποιείται ένα μειωμένο σύνολο εντολών, οι μικροελεγκτές είναι απλούστεροι και φθηνότεροι στην παραγωγή και είναι ευκολότερος και ταχύτερος για τους προγραμματιστές υλικού να τον δώσουν. Υπάρχουν πολλές διαφορές μεταξύ CISC και RISC, αλλά προς το παρόν το μόνο σημαντικό πράγμα που πρέπει να θυμάστε είναι ότι το CISC έχει πολλές εντολές, το RISC έχει λίγες εντολές. Θα ρίξουμε μια πιο βαθιά ματιά σε αυτές τις δύο ιδέες κάποια άλλη στιγμή.

Τι συμβαίνει όταν ενεργοποιείται ο μικροελεγκτής;

Ας φανταστούμε, λοιπόν, έναν ιδανικό κόσμο στον οποίο έχετε ένα MK και ένα πρόγραμμα έχει ήδη καταγραφεί στη μνήμη του. Ή, όπως συνήθως λένε, το MK "αναβοσβήνει" (σε αυτήν την περίπτωση το πρόγραμμα ονομάζεται "υλικολογισμικό") και είναι έτοιμο για μάχη.

Τι συμβαίνει όταν τροφοδοτείτε το κύκλωμα MK σας; Δεν αποδεικνύεται τίποτα το ιδιαίτερο. Δεν υπάρχει καθόλου μαγεία εκεί. Θα συμβούν τα εξής:

Μετά την ενεργοποίηση, ο μικροελεγκτής θα πάει να δει τι υπάρχει στη μνήμη. Ταυτόχρονα, «ξέρει» πού να ψάξει για να βρει την πρώτη εντολή του προγράμματός του.

Η τοποθεσία έναρξης του προγράμματος καθορίζεται κατά την παραγωγή του MK και δεν αλλάζει ποτέ. Το MK μετράει την πρώτη εντολή, την εκτελεί, μετά μετράει τη δεύτερη εντολή, την εκτελεί, μετά την τρίτη και ούτω καθεξής μέχρι την τελευταία. Όταν μετρήσει την τελευταία εντολή, όλα θα ξεκινήσουν από την αρχή, αφού το MK εκτελεί το πρόγραμμα σε κύκλο, εκτός και αν του είπαν να σταματήσει. Έτσι λειτουργεί λοιπόν.

Αλλά αυτό δεν με εμποδίζει να γράφω πολύπλοκα προγράμματα, που βοηθούν στον έλεγχο ψυγείων, ηλεκτρικών σκουπών, βιομηχανικών μηχανημάτων, συσκευών αναπαραγωγής ήχου και χιλιάδων άλλων συσκευών. Μπορείτε επίσης να μάθετε πώς να δημιουργείτε συσκευές με το MK. Θα χρειαστεί χρόνος, επιθυμία και λίγα χρήματα. Αλλά αυτά είναι τόσο μικρά πράγματα, σωστά;

Πώς λειτουργεί ένα τυπικό MK;

Κάθε σύστημα μικροεπεξεργαστή βασίζεται σε τρεις πυλώνες:

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ(ALU + συσκευή ελέγχου),
Μνήμη(ROM, RAM, FLASH),
Θύρες I/O .

Ο επεξεργαστής, χρησιμοποιώντας θύρες I/O, λαμβάνει/αποστέλλει δεδομένα με τη μορφή αριθμών και εκτελεί διάφορες λειτουργίες σε αυτά αριθμητικές πράξειςκαι τα αποθηκεύει στη μνήμη. Η επικοινωνία μεταξύ του επεξεργαστή, των θυρών και της μνήμης πραγματοποιείται μέσω καλωδίων που καλούνται λάστιχο(τα ελαστικά χωρίζονται σε διάφορους τύπους ανάλογα με το σκοπό) . Αυτό γενική ιδέαλειτουργία του συστήματος MP. Όπως στην παρακάτω εικόνα.

Ο MK, όπως έγραψα ήδη, είναι επίσης μικροεπεξεργαστής. Απλά εξειδικευμένος. Η φυσική δομή των μικροκυκλωμάτων MK διαφορετικών σειρών μπορεί να διαφέρει σημαντικά, αλλά ιδεολογικά θα είναι παρόμοια και θα έχουν, για παράδειγμα, μπλοκ όπως: ROM, RAM, ALU, θύρες εισόδου/εξόδου, χρονόμετρα, μετρητές, καταχωρητές.

ROM	Μόνιμη μνήμη. Ό,τι είναι γραμμένο σε αυτό παραμένει στη ROM ακόμα και μετά την αποσύνδεση της συσκευής από την παροχή ρεύματος.
ΕΜΒΟΛΟ	Προσωρινή μνήμη. Η RAM είναι η μνήμη εργασίας του MK. Όλα τα ενδιάμεσα αποτελέσματα της εκτέλεσης εντολών ή δεδομένα από εξωτερικές συσκευές τοποθετούνται σε αυτό.
ALU	Ο μαθηματικός εγκέφαλος ενός μικροελεγκτή. Είναι αυτός που προσθέτει, αφαιρεί, πολλαπλασιάζει και μερικές φορές διαιρεί, συγκρίνει μηδενικά και μονάδες κατά τη διαδικασία εκτέλεσης των εντολών του προγράμματος. Ένα από τα σημαντικότερα όργανα του ΜΚ.
Θύρες I/O	Μόνο συσκευές για την επικοινωνία με το MK έξω κόσμος. Χωρίς αυτά, δεν μπορείτε ούτε να γράψετε στην εξωτερική μνήμη ούτε να λάβετε δεδομένα από τον αισθητήρα ή το πληκτρολόγιο.
Χρονοδιακόπτες	Μαγειρέψατε κέικ ή κοτόπουλο; Έχετε βάλει χρονόμετρο για να σας ειδοποιεί όταν το πιάτο είναι έτοιμο; Στο MK, ο χρονοδιακόπτης εκτελεί παρόμοιες λειτουργίες: μετράει διαστήματα, εκδίδει ένα σήμα σχετικά με τη λειτουργία κ.λπ.
μετρητές	Είναι χρήσιμα όταν πρέπει να μετρήσετε κάτι.
Μητρώα	Η πιο ακατανόητη λέξη για όσους έχουν προσπαθήσει τουλάχιστον μία φορά να κυριαρχήσουν μόνοι τους στο Assembler. Και παρεμπιπτόντως, λειτουργούν κάπως τόσο γρήγορη RAM για το MK. Κάθε καταχωρητής είναι ένα είδος κελιού μνήμης. Και σε κάθε ΜΚ υπάρχουν μόνο μερικές δεκάδες από αυτά.

Η σύγχρονη κλίμακα ανάπτυξης των ψηφιακών ηλεκτρονικών είναι τόσο τεράστια που ακόμη και για κάθε αντικείμενο από αυτόν τον πίνακα μπορείτε να γράψετε ένα ολόκληρο βιβλίο ή ακόμα και περισσότερα από ένα. Θα περιγράψω τις βασικές ιδέες που θα σας βοηθήσουν να κατανοήσετε περαιτέρω ανεξάρτητα με περισσότερες λεπτομέρειες κάθε μία από τις συσκευές.

Ο εγκέφαλος του μικροελεγκτή

Ο μικροεπεξεργαστής/μικροελεγκτής λειτουργεί πάντα σύμφωνα με το πρόγραμμα που είναι ενσωματωμένο σε αυτόν. Το πρόγραμμα αποτελείται από μια ακολουθία λειτουργιών που μπορεί να εκτελέσει το MK. Οι λειτουργίες εκτελούνται στην CPU - αυτός είναι ο εγκέφαλος του μικροελεγκτή. Είναι αυτό το όργανο που μπορεί να εκτελέσει αριθμητικές και λογικές πράξεις με αριθμούς. Υπάρχουν όμως τέσσερις ακόμη σημαντικές επεμβάσεις που μπορεί να κάνει:

ανάγνωση από ένα κελί μνήμης
εγγραφή στο κελί μνήμης
ανάγνωση από τη θύρα I/O
εγγραφή στη θύρα I/O

Αυτές οι λειτουργίες είναι υπεύθυνες για την ανάγνωση/εγγραφή πληροφοριών στη μνήμη και εξωτερικές συσκευέςμέσω θυρών I/O. Και χωρίς αυτά, οποιοσδήποτε επεξεργαστής μετατρέπεται σε άχρηστα σκουπίδια.

Τεχνικά, ο επεξεργαστής αποτελείται από μια ALU (αριθμομηχανή επεξεργαστή) και μια μονάδα ελέγχου που διαχειρίζεται την αλληλεπίδραση μεταξύ των θυρών I/O, της μνήμης και μιας αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU).

Μνήμη μικροελεγκτή

Νωρίτερα, στον πίνακα με τις τυπικές συσκευές που περιλαμβάνονται στο MK, υπέδειξα δύο τύπους μνήμης: ROM και RAM. Η διαφορά μεταξύ τους είναι ότι στη ROM τα δεδομένα αποθηκεύονται μεταξύ της ενεργοποίησης της συσκευής. Αλλά την ίδια στιγμή, η ROM είναι μια μάλλον αργή μνήμη. Γι' αυτό υπάρχει η μνήμη RAM, η οποία είναι αρκετά γρήγορη, αλλά μπορεί να αποθηκεύσει δεδομένα μόνο όταν παρέχεται ρεύμα στη συσκευή. Αξίζει να απενεργοποιήσετε τη συσκευή και όλα τα δεδομένα είναι από εκεί... τίποτα.

Εάν έχετε φορητό υπολογιστή ή προσωπικό υπολογιστή, τότε είστε εξοικειωμένοι με αυτήν την κατάσταση: γράψατε ένα βουνό από κείμενο, ξεχάσατε να το αποθηκεύσετε στον σκληρό σας δίσκο και ξαφνικά έσβησε το ρεύμα. Ανοίγεις τον υπολογιστή, αλλά δεν υπάρχει κείμενο. Σωστά. Ενώ το έγραφες, ήταν αποθηκευμένο στη μνήμη RAM. Γι' αυτό το κείμενο εξαφανίστηκε όταν ο υπολογιστής ήταν απενεργοποιημένος.

Στον ξένο κόσμο, η RAM και η ROM ονομάζονται RAM και ROM:

RAM (Random Access Memory) - μνήμη με τυχαία πρόσβαση
ROM (Μνήμη μόνο για ανάγνωση) - μνήμη μόνο για ανάγνωση

Στη χώρα μας ονομάζονται και πτητική και μη πτητική μνήμη. Κάτι που, κατά τη γνώμη μου, αντικατοπτρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη φύση κάθε τύπου μνήμης.

ROM

Στις μέρες μας η μνήμη ROM γίνεται πιο κοινή Τύπος FLASH(ή, κατά τη γνώμη μας, EEPROM). Σας επιτρέπει να αποθηκεύετε δεδομένα ακόμα και όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Επομένως, στα σύγχρονα MCU, για παράδειγμα, στο AVR MCU, η μνήμη FLASH χρησιμοποιείται ως ROM.

Προηγουμένως, τα τσιπ μνήμης ROM ήταν κάποτε προγραμματιζόμενα. Επομένως, εάν καταγράφηκε ένα πρόγραμμα ή δεδομένα με σφάλματα, τότε ένα τέτοιο μικροκύκλωμα απλώς πετάχτηκε. Λίγο αργότερα εμφανίστηκαν ROM που μπορούσαν να ξαναγραφτούν πολλές φορές. Αυτά ήταν τσιπ με δυνατότητα διαγραφής UV. Έχουν ζήσει για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα και βρίσκονται ακόμη και τώρα σε κάποιες συσκευές της δεκαετίας του 1990...2000. Για παράδειγμα, αυτή η ROM προέρχεται από την ΕΣΣΔ.

Είχαν ένα σημαντικό μειονέκτημα - εάν ο κρύσταλλος (αυτός που φαίνεται στο παράθυρο) φωτίστηκε κατά λάθος, το πρόγραμμα θα μπορούσε να καταστραφεί. Και επίσης η ROM είναι ακόμα πιο αργή από τη RAM.

ΕΜΒΟΛΟ

Η RAM, σε αντίθεση με τη ROM, την PROM και την EEPROM, είναι πτητικόςκαι όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη, όλα τα δεδομένα στη μνήμη RAM χάνονται. Αλλά ούτε μια συσκευή μικροεπεξεργαστή δεν μπορεί να κάνει χωρίς αυτόν. Δεδομένου ότι κατά τη λειτουργία είναι απαραίτητο να αποθηκεύονται κάπου τα αποτελέσματα των υπολογισμών και των δεδομένων με τα οποία ο επεξεργαστής λειτουργεί. Η ROM δεν είναι κατάλληλη για αυτούς τους σκοπούς λόγω της βραδύτητας της.

ΜΝΗΜΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Εκτός από τη διαίρεση σε πτητική (RAM) και μη πτητική μνήμη, οι μικροελεγκτές έχουν μια διαίρεση σε μνήμη δεδομένων και μνήμη προγραμμάτων. Αυτό σημαίνει ότι το MK έχει μια ειδική μνήμη που προορίζεται μόνο για την αποθήκευση του προγράμματος MK. Στη σύγχρονη εποχή αυτό είναι συνήθως ένα FLASH ROM. Από αυτή τη μνήμη ο μικροελεγκτής διαβάζει τις εντολές που εκτελεί.

Ξεχωριστά από τη μνήμη του προγράμματος, υπάρχει μια μνήμη δεδομένων στην οποία τοποθετούνται τα ενδιάμεσα αποτελέσματα της εργασίας και οποιαδήποτε άλλα δεδομένα απαιτούνται από το πρόγραμμα. Η μνήμη προγράμματος είναι κανονική RAM.

Αυτός ο διαχωρισμός είναι καλός γιατί κανένα σφάλμα στο πρόγραμμα δεν μπορεί να βλάψει το ίδιο το πρόγραμμα. Για παράδειγμα, όταν κατά λάθος το MK προσπαθεί να γράψει στη θέση κάποιας εντολής στο πρόγραμμα τυχαίος αριθμός. Αποδεικνύεται ότι το πρόγραμμα προστατεύεται αξιόπιστα από ζημιές. Παρεμπιπτόντως, αυτό το τμήμα έχει το δικό του ειδικό όνομα - "αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ".

Στη δεκαετία του 1930, η κυβέρνηση των ΗΠΑ ανέθεσε την ανάπτυξη στα πανεπιστήμια του Χάρβαρντ και του Πρίνστον αρχιτεκτονικήΥπολογιστής για ναυτικό πυροβολικό. Στα τέλη της δεκαετίας του 1930 στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο Χάουαρντ Άικεν αναπτύχθηκε αρχιτεκτονικήυπολογιστή Mark I, που στο εξής θα φέρει το όνομα αυτού του πανεπιστημίου.

Παρακάτω έχω απεικονίσει σχηματικά την αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ:

Έτσι, το πρόγραμμα και τα δεδομένα με τα οποία λειτουργεί αποθηκεύονται φυσικά διαφορετικούς τόπους. Όσο για μεγάλα συστήματα επεξεργαστών όπως προσωπικός υπολογιστής, τότε τα δεδομένα και το πρόγραμμα αποθηκεύονται στο ίδιο μέρος κατά την εκτέλεση του προγράμματος.

ΙΕΡΑΡΧΙΑ ΜΝΗΜΗΣ

ΠΩΣ ΥΠΟΓΡΑΦΕΤΑΙ Ο ΕΓΚΕΦΑΛΟΣ ΕΝΟΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ

Εννοείτε ήδη ότι ο εγκέφαλος του MK είναι η CPU -- ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ, που αποτελείται από μια ALU (αριθμητική-λογική μονάδα) και μια μονάδα ελέγχου (CU). Η μονάδα ελέγχου ελέγχει ολόκληρη την ορχήστρα από μνήμη, εξωτερικές συσκευές και ALU. Χάρη σε αυτόν, ο MK μπορεί να εκτελέσει εντολές με τη σειρά που θέλουμε.

Η ALU είναι μια αριθμομηχανή και η μονάδα ελέγχου λέει στην ALU τι, με τι, πότε και με ποια σειρά να υπολογίσει ή να συγκρίνει. Η ALU μπορεί να προσθέτει, να αφαιρεί, μερικές φορές να διαιρεί και να πολλαπλασιάζει και να εκτελεί λογικές πράξεις: ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ (περισσότερα σχετικά λίγο αργότερα)

Οποιοσδήποτε υπολογιστής, συμπεριλαμβανομένου του MK, σήμερα μπορεί να λειτουργήσει μόνο με δυαδικούς αριθμούς που αποτελούνται από "0" και "1". Αυτή η απλή ιδέα ήταν που οδήγησε στην επανάσταση των ηλεκτρονικών και την εκρηκτική ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας.

Ας υποθέσουμε ότι η ALU χρειάζεται να προσθέσει δύο αριθμούς: 2 και 5. Σε απλοποιημένη μορφή θα μοιάζει με αυτό:

Σε αυτήν την περίπτωση, η μονάδα ελέγχου γνωρίζει σε ποια θέση μνήμης να πάρει τον αριθμό "2", σε ποια θέση τον αριθμό "5" και σε ποια θέση μνήμης να τοποθετήσει το αποτέλεσμα. Η CU τα γνωρίζει όλα αυτά γιατί διάβασε σχετικά με μια εντολή από ένα πρόγραμμα που αυτή τη στιγμήΤο διάβασα στο πρόγραμμα. Θα σας πω λεπτομερέστερα για τις τοπικές πράξεις με δυαδικούς αριθμούς και πώς λειτουργεί ο αθροιστής ALU από μέσα λίγο αργότερα.

Λοιπόν, λέτε, τι γίνεται αν χρειαστεί να πάρετε αυτούς τους αριθμούς όχι από το πρόγραμμα, αλλά από έξω, για παράδειγμα, από έναν αισθητήρα; Τι πρέπει να κάνω? Εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι οι θύρες I/O, με τη βοήθεια των οποίων το MK μπορεί να λαμβάνει και να μεταδίδει δεδομένα σε εξωτερικές συσκευές: οθόνες, αισθητήρες, κινητήρες, βαλβίδες, εκτυπωτές κ.λπ.

ΛΟΓΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ

Μάλλον γνωρίζετε πολύ καλά το αστείο για τη «γυναικεία λογική»; Αλλά δεν θα μιλήσουμε για αυτό, αλλά για τη λογική κατ' αρχήν. Η λογική λειτουργεί με σχέσεις αιτίου-αποτελέσματος: αν ο ήλιος έχει ανατείλει, τότε έχει γίνει φως. Η αιτία «ο ήλιος ανέτειλε» προκάλεσε το αποτέλεσμα «έγινε φως». Επιπλέον, μπορούμε να πούμε «ΣΩΣΤΟ» ή «ΛΑΘΟΣ» για κάθε δήλωση.

Για παράδειγμα:

«Τα πουλιά κολυμπούν κάτω από το νερό» είναι ψέμα
"Το νερό είναι υγρό" - σε θερμοκρασία δωματίου αυτή η δήλωση είναι αλήθεια

Όπως σημειώσατε, η δεύτερη πρόταση μπορεί να είναι είτε αληθής είτε ψευδής υπό ορισμένες προϋποθέσεις. Ο υπολογιστής μας έχει μόνο αριθμούς και οι μηχανικοί και οι μαθηματικοί σκέφτηκαν να δηλώνουν την αλήθεια ως «1» και το ψευδές ως «0». Αυτό κατέστησε δυνατή τη σύνταξη της αλήθειας μιας δήλωσης με τη μορφή δυαδικών αριθμών:

"Τα πουλιά κολυμπούν κάτω από το νερό" = 0
«Το νερό είναι υγρό» = 1

Και μια τέτοια σημείωση επέτρεπε στους μαθηματικούς να εκτελούν ολόκληρες πράξεις με αυτές τις δηλώσεις - λογικές πράξεις. Ο Τζορτζ Μπουλ ήταν ο πρώτος που το σκέφτηκε αυτό. Από την οποία ονομάζεται αυτή η άλγεβρα: "Boolean algebra", η οποία αποδείχθηκε πολύ βολική για ψηφιακές μηχανές.

Το δεύτερο μισό της ALU είναι λογικές πράξεις. Σας επιτρέπουν να «συγκρίνετε» δηλώσεις. Υπάρχουν μόνο μερικές βασικές λογικές πράξεις: ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ - αλλά αυτό είναι αρκετό, αφού από αυτές τις τρεις μπορούν να συνδυαστούν πιο σύνθετες.

Λογική λειτουργία ΚΑΙ δηλώνει την ταυτόχρονη δήλωση, δηλ. ότι και οι δύο δηλώσεις είναι αληθινές ταυτόχρονα. Για παράδειγμα δήλωση θα είναι αληθής μόνο εάν και οι δύο απλούστερες προτάσεις είναι αληθείς. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, το αποτέλεσμα της λειτουργίας λογικής ΚΑΙ θα είναι ψευδές.

Λογική λειτουργία Ή θα ισχύει εάν τουλάχιστον μία από τις δηλώσεις που εμπλέκονται στην επιχείρηση είναι αληθής. "Τα πουλιά κολυμπούν κάτω από το νερό" και "Το νερό είναι βρεγμένο"αλήθεια, αφού η δήλωση "το νερό είναι υγρό" είναι αληθής

Λογική λειτουργία ΔΕΝ αλλάζει την αλήθεια μιας δήλωσης στην αντίθετη σημασία της. Αυτή είναι λογική άρνηση. Για παράδειγμα:

Ο ήλιος ανατέλλει κάθε μέρα = ΑΛΗΘΕΙΑ

ΟΧΙ (Ο ήλιος ανατέλλει κάθε μέρα) = ΔΕΝ ΑΛΗΘΕΙ = ΨΕΥΤΙΚΟ

Χάρη στις λογικές πράξεις μπορούμε να συγκρίνουμε δυαδικούς αριθμούς, και εφόσον οι δυαδικοί μας αριθμοί σημαίνουν πάντα κάτι, για παράδειγμα, κάποιο είδος σήματος. Αποδεικνύεται ότι χάρη σε Άλγεβρα Booleμπορούμε να συγκρίνουμε πραγματικά σήματα. Αυτό κάνει το λογικό μέρος της ALU.

ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΙΣΟΔΟΥ/ΕΞΟΔΟΥ

Η ΜΚ μας πρέπει να επικοινωνεί με τον έξω κόσμο. Μόνο τότε θα εκπροσωπήσει τον εαυτό του χρήσιμη συσκευή. Για το σκοπό αυτό, το MK διαθέτει ειδικές συσκευές που ονομάζονται συσκευές εισόδου/εξόδου.
Χάρη σε αυτές τις συσκευές, μπορούμε να στείλουμε σήματα από αισθητήρες, πληκτρολόγια και άλλα στον μικροελεγκτή εξωτερικές συσκευές. Και μετά την επεξεργασία τέτοιων σημάτων, το MK θα στείλει μια απόκριση μέσω των συσκευών εξόδου, με τις οποίες θα είναι δυνατό να ρυθμιστεί η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα ή η φωτεινότητα της λάμπας.

Επιτρέψτε μου να συνοψίσω:

Ψηφιακά ηλεκτρονικά-- η κορυφή του παγόβουνου των ηλεκτρονικών
Μια ψηφιακή συσκευή γνωρίζει και κατανοεί μόνο αριθμούς
Οποιαδήποτε πληροφορία: μήνυμα, κείμενο, βίντεο, ήχος, μπορεί να κωδικοποιηθεί χρησιμοποιώντας δυαδικούς αριθμούς
Ένας μικροελεγκτής είναι ένας μικροϋπολογιστής σε ένα μόνο τσιπ
Κάθε σύστημα μικροεπεξεργαστή αποτελείται από τρία μέρη: επεξεργαστή, μνήμη, συσκευές εισόδου/εξόδου
Ο επεξεργαστής αποτελείται από μια μονάδα ALU και μια μονάδα ελέγχου
Η ALU μπορεί να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις με δυαδικούς αριθμούς

Μείνε μαζί μας. Στα επόμενα άρθρα θα σας πω πιο αναλυτικά πώς είναι τακτοποιημένα η μνήμη MK, οι θύρες I/O και η ALU. Και μετά από αυτό θα πάμε ακόμα πιο μακριά και τελικά θα φτάσουμε στα αναλογικά ηλεκτρονικά.

ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ.
Βρήκατε κάποιο λάθος; Πες μου!

/blog/tsifrovaya-elektronika-chto-eto/ Σε αυτή την ιστορία, τα πρώτα βήματα στον κόσμο των ηλεκτρονικών γίνονται από μια ασυνήθιστη κατεύθυνση. Ξεκινάτε το ταξίδι σας μέσω των ηλεκτρονικών με τον κόσμο των ψηφιακών κυκλωμάτων, με μικροελεγκτές 2016-11-17 2016-12-26 ψηφιακά ηλεκτρονικά, ψηφιακά κυκλώματα, μικροελεγκτής, λογικά στοιχεία

Μεγάλος ραδιοερασιτέχνης και σχεδιαστής προγραμμάτων

«ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ»

ΧΑΡΚΟΦ 2006

Πρόλογος

1 ΛΟΓΙΚΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΒΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΙΚΡΟΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

1.2 Λογικά στοιχεία

1.3 Βασικοί νόμοι της λογικής άλγεβρας

1.4 Διαζευκτικές κανονικές μορφές

1.5 Ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων

1.6 Σύνθεση συνδυαστικών λογικών κυκλωμάτων

2 ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ

2.1 Βασικές αρχές

2.2 Αποκωδικοποιητές

2.3 Κρυπτογραφητές

2.4 Αποπολυπλέκτης

2.5 Πολυπλέκτης

2.6 Αριθμητικές συσκευές

3 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΣΚΑΝΔΙΣΤΗΣ

3.1 Βασικές έννοιες

3.2 Ασύγχρονη flip-flop RS

3.3 Σύγχρονες ενεργοποιήσεις

4 ΜΗΤΡΩΑ

4.1 Γενικές πληροφορίεςσχετικά με τα μητρώα

4.2 Καταχωρητές μνήμης

4.3 Μητρώα βάρδιας

4.4 Αντιστροφή καταχωρητών

4.5 Μητρώα γενικής χρήσης

5 ΜΕΤΡΗΤΕΣ

5.1 Γενικές πληροφορίες για τους μετρητές

5.2 Σειριακούς μετρητές μεταφοράς

5.3 Μετρητές παράλληλης μεταφοράς

5.4 Μετρητές όπισθεν

5.5 Μετρητές με αυθαίρετο συντελεστή μέτρησης όχι ίσο με 2n

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΑΝΑΦΟΡΩΝ

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Αυτό το μεθοδολογικό εγχειρίδιο περιέχει πληροφορίες που παρέχουν τη μελέτη των κλάδων:

- «Μηχανική Ψηφιακών κυκλωμάτων» για φοιτητές της ειδικότητας 5.091504 (Συντήρηση Η/Υ και έξυπνα συστήματακαι δίκτυα)·

- «Μηχανική μικροκυκλωμάτων» για φοιτητές της ειδικότητας 5.090805 (Σχεδίαση, παραγωγή και Συντήρησηηλεκτρονικά προϊόντα);

- « Ηλεκτρονικές συσκευέςκαι μικροηλεκτρονικής» για φοιτητές της ειδικότητας 5.090704 (Σχεδιασμός, παραγωγή και συντήρηση συσκευών ραδιομηχανικής).

Το υλικό που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία έχει σκοπό να εξοικειώσει τους μαθητές με τα βασικά των σύγχρονων ψηφιακών μικροκυκλωμάτων και περιλαμβάνει τους κύριους τύπους ψηφιακές συσκευές, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο ως ανεξάρτητα προϊόντα με τη μορφή μικροκυκλωμάτων χαμηλού και μεσαίου βαθμού ολοκλήρωσης, όσο και ως μέρος μικροκυκλωμάτων υψηλός βαθμόςολοκλήρωση: μικροεπεξεργαστές και μικροελεγκτές.

Το εγχειρίδιο αποτελείται από πέντε ενότητες:

Λογικές και βασικές αρχές κυκλώματος ψηφιακών μικροκυκλωμάτων,

Συνδυαστικά κυκλώματα,

Συσκευές ενεργοποίησης,

Μητρώα,

μετρητές.

Η παρουσίαση του υλικού είναι δομημένη με τέτοιο τρόπο ώστε να παρουσιάζονται διαδοχικά «από απλό σε σύνθετο» οι βασικές θεωρητικές αρχές ανάλυσης και σύνθεσης ψηφιακών συσκευών. Κάθε ενότητα περιέχει υποενότητες που παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την υπό όρους γραφικός προσδιορισμόςσυσκευή υπό μελέτη, δίνεται ο πίνακας λειτουργίας της, λειτουργική ή διάγραμμα κυκλώματοςκαι διαγράμματα χρόνου εργασίας όπου απαιτείται. Κάθε ένα από τα σχήματα δίνεται Λεπτομερής περιγραφήλογική του έργου του με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε μαθητής του αντικειμένου να κατέχει τις αρχές της ανάλυσης εργασίας ψηφιακά κυκλώματακαι απέκτησε τις απαραίτητες δεξιότητες. Κάθε ένα από τα παραπάνω διαγράμματα είναι τυπικό για αυτής της συσκευής. Αυτό δεν αποκλείει άλλη υλοποίηση κυκλώματος.

Οι βασικές έννοιες, οι ορισμοί και οι κανόνες επισημαίνονται με έντονους χαρακτήρες για να καταστήσουν πιο βολικό και οπτικό τον έλεγχο του θέματος.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η παρουσίαση του υλικού πραγματοποιείται με σειρά αυξανόμενης πολυπλοκότητας των ψηφιακών συσκευών που μελετώνται και ότι κάθε επόμενο θέμα βασίζεται στην ύλη του προηγούμενου, συνιστάται η χρήση αυτού του εκπαιδευτικού βοηθήματος με τη σειρά που βρίσκονται οι αντίστοιχες ενότητες.

Αυτό το εγχειρίδιο είναι χρήσιμο όχι μόνο για μελέτη θεωρητικές βάσειςψηφιακό μικροκύκλωμα, αλλά και στην προετοιμασία για την υλοποίηση εργαστηριακές εργασίες, σκοπός του οποίου είναι η εμβάθυνση της γνώσης και η απόκτηση πρακτικών δεξιοτήτων στη συναρμολόγηση και τον εντοπισμό σφαλμάτων ψηφιακών συσκευών. Ο οδηγός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτοδιδασκαλίας, καθώς και κατά τη διάρκεια των μαθημάτων και του σχεδιασμού διπλωμάτων.

1 ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΜΙΚΡΟΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

1.1 Βασικές έννοιες της λογικής άλγεβρας

Η λογική είναι η επιστήμη των νόμων και των μορφών σκέψης.

Μαθηματική λογική - η επιστήμη της εφαρμογής μαθηματικές μεθόδουςγια την επίλυση λογικών προβλημάτων.

Όλες οι ψηφιακές υπολογιστικές συσκευές είναι χτισμένες σε στοιχεία που εκτελούν ορισμένες λογικές λειτουργίες. Ορισμένα στοιχεία παρέχουν επεξεργασία δυαδικών συμβόλων που αντιπροσωπεύουν ψηφιακές ή άλλες πληροφορίες, άλλα - εναλλαγή καναλιών μέσω των οποίων μεταδίδονται πληροφορίες και τέλος, άλλα - έλεγχος, ενεργοποίηση διάφορες δράσειςκαι την εφαρμογή των προϋποθέσεων εφαρμογής τους.

Τα ηλεκτρικά σήματα που δρουν στις εισόδους και τις εξόδους αυτών των στοιχείων έχουν, κατά κανόνα, δύο διαφορετικά επίπεδα και, επομένως, μπορούν να αναπαρασταθούν με δυαδικά σύμβολα, για παράδειγμα 1 ή 0. Ας συμφωνήσουμε να υποδηλώσουμε την εμφάνιση κάποιου γεγονότος (για παράδειγμα , η παρουσία μιας στάθμης υψηλής τάσης στην οποία -σημείο του κυκλώματος) σύμβολο 1. Το σύμβολο αυτό ονομάζεται λογική μονάδα. Η απουσία οποιουδήποτε γεγονότος συμβολίζεται με το σύμβολο 0, που ονομάζεται λογικό μηδέν.

Έτσι, κάθε σήμα στην είσοδο ή στην έξοδο ενός δυαδικού στοιχείου συνδέεται με μια λογική μεταβλητή, η οποία μπορεί να λάβει μόνο δύο τιμές: την κατάσταση μιας λογικής (το συμβάν είναι αληθές) και την κατάσταση ενός λογικού μηδενός (το συμβάν είναι ψευδής). Αυτές οι μεταβλητές ονομάζονται λογιστικές μεταβλητές Αγγλικά μαθηματικάΟ J. Boole, ο οποίος τον δέκατο ένατο αιώνα ανέπτυξε τις βασικές αρχές μαθηματική λογική. Ας συμβολίσουμε μια λογική μεταβλητή με x.

Διαφορετικές μεταβλητές boolean μπορούν να συνδεθούν με συναρτησιακές εξαρτήσεις. Για παράδειγμα, η έκφραση y = f (x1, x2) δείχνει λειτουργική εξάρτησηλογική μεταβλητή y από τις λογικές μεταβλητές x1 και x2, που ονομάζονται ορίσματα ή μεταβλητές εισόδου.

Οποιαδήποτε λογική συνάρτηση μπορεί πάντα να αναπαρασταθεί ως ένα σύνολο απλών λογικών πράξεων. Τέτοιες λειτουργίες περιλαμβάνουν:

Άρνηση (λειτουργία "NOT").

Λογικός πολλαπλασιασμός (σύνδεση, πράξη «AND»).

Λογική προσθήκη (διάσπαση, λειτουργία Ή).

Η άρνηση (ΟΧΙ λειτουργία) είναι μια λογική σύνδεση μεταξύ μιας λογικής μεταβλητής εισόδου x και μιας λογικής μεταβλητής εξόδου y έτσι ώστε το y να είναι αληθές μόνο όταν το x είναι ψευδές και, αντίθετα, το y είναι ψευδές μόνο όταν το x είναι αληθές. Ας απεικονίσουμε αυτή τη λειτουργική σχέση με τη μορφή του πίνακα 1.1, ο οποίος ονομάζεται πίνακας αλήθειας.

Ένας πίνακας αλήθειας είναι ένας πίνακας που εμφανίζει την αντιστοιχία όλων πιθανούς συνδυασμούςτιμές δυαδικών ορισμάτων στις τιμές μιας λογικής συνάρτησης.

Πίνακας 1.1- Πίνακας αλήθειας της πράξης «NOT».

Χ	y
0	1
1	0

Η λογική συνάρτηση NOT της μεταβλητής y γράφεται ως y =

και διαβάζει "y δεν είναι x". Εάν, για παράδειγμα, το x είναι μια δήλωση σχετικά με την παρουσία ενός σήματος υψηλής στάθμης (λογικό), τότε το y αντιστοιχεί σε μια δήλωση σχετικά με την παρουσία ενός σήματος χαμηλής στάθμης (λογικό μηδέν).

Ο λογικός πολλαπλασιασμός (σύνδεση, πράξη ΚΑΙ) είναι μια συνάρτηση που ισχύει μόνο όταν όλες οι μεταβλητές που πολλαπλασιάζονται είναι αληθείς ταυτόχρονα. Ο πίνακας αλήθειας της πράξης λογικού πολλαπλασιασμού αντιστοιχεί στον πίνακα 1.2.

Πίνακας 1.2- Πίνακας αλήθειας πράξης λογικού πολλαπλασιασμού

x2	x1	y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Η λειτουργία ΚΑΙ υποδεικνύεται με μια τελεία ( ). Μερικές φορές το σημείο υπονοείται. Για παράδειγμα, η πράξη AND μεταξύ δύο μεταβλητών x1 και x2 συμβολίζεται ως y = x1 x2.

Η λογική πρόσθεση (διάσπαση, λειτουργία Ή) είναι μια συνάρτηση που είναι ψευδής μόνο όταν όλες οι μεταβλητές που προστίθενται είναι ψευδείς ταυτόχρονα. Ο πίνακας αλήθειας της πράξης λογικής πρόσθεσης αντιστοιχεί στον πίνακα 1.3. Η πράξη «OR» συμβολίζεται με το σύμβολο V. Για παράδειγμα, y = x1 V x2.

Πίνακας 1.3 - Πίνακας αλήθειας της πράξης λογικής πρόσθεσης

Μελετώντας βασικά στοιχείαψηφιακά ηλεκτρονικά θα ξεκινήσουμε με τα πιο απλά, και μετά θα εξετάσουμε όλο και πιο σύνθετα. Παραδείγματα εφαρμογής κάθε επόμενου στοιχείου θα βασίζονται σε όλα τα στοιχεία που συζητήθηκαν προηγουμένως. Με αυτόν τον τρόπο θα δοθούν σταδιακά οι βασικές αρχές για την κατασκευή αρκετά σύνθετων ψηφιακών συσκευών.

Τα λογικά στοιχεία (ή, όπως ονομάζονται επίσης, πύλες) είναι τα απλούστερα ψηφιακά μικροκυκλώματα. Αυτή η απλότητα είναι που τα διακρίνει από άλλα μικροκυκλώματα. Κατά κανόνα, ένα πακέτο μικροκυκλώματος μπορεί να περιέχει από ένα έως έξι πανομοιότυπα λογικά στοιχεία. Μερικές φορές διαφορετικά λογικά στοιχεία μπορούν να βρίσκονται στο ίδιο πακέτο.

Συνήθως, κάθε λογικό στοιχείο έχει πολλές εισόδους (από μία έως δώδεκα) και μία έξοδο. Σε αυτή την περίπτωση, η σύνδεση μεταξύ του σήματος εξόδου και των σημάτων εισόδου (πίνακας αλήθειας) είναι εξαιρετικά απλή. Κάθε συνδυασμός σημάτων εισόδου στοιχείου αντιστοιχεί σε ένα μηδέν ή ένα επίπεδο στην έξοδό του. Οχι εσωτερική μνήμηΤα λογικά στοιχεία όχι, επομένως ανήκουν στην ομάδα των λεγόμενων συνδυαστικών μικροκυκλωμάτων. Αλλά σε αντίθεση με τα πιο σύνθετα συνδυαστικά κυκλώματα που συζητήθηκαν στην επόμενη διάλεξη, οι λογικές πύλες έχουν εισόδους που δεν μπορούν να χωριστούν σε ομάδες που διαφέρουν ως προς τις λειτουργίες που εκτελούν.

Τα κύρια πλεονεκτήματα των λογικών στοιχείων, σε σύγκριση με άλλα ψηφιακά μικροκυκλώματα, είναι η υψηλή τους απόδοση (μικροί χρόνοι καθυστέρησης), καθώς και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (χαμηλή κατανάλωση ρεύματος). Επομένως, σε περιπτώσεις όπου η απαιτούμενη συνάρτηση μπορεί να υλοποιηθεί αποκλειστικά με τη χρήση λογικών στοιχείων, είναι πάντα λογικό να αναλύεται αυτή η επιλογή. Το μειονέκτημά τους είναι ότι στη βάση τους είναι αρκετά δύσκολο να εφαρμοστεί οποιοδήποτε σύνθετες λειτουργίες. Ως εκ τούτου, τις περισσότερες φορές τα λογικά στοιχεία χρησιμοποιούνται μόνο ως προσθήκη σε πιο περίπλοκα, πιο «έξυπνα» μικροκυκλώματα. Και οποιοσδήποτε προγραμματιστής συνήθως προσπαθεί να τα χρησιμοποιεί όσο το δυνατόν λιγότερο και όσο πιο σπάνια γίνεται. Υπάρχει μάλιστα η άποψη ότι η ικανότητα του προγραμματιστή είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον αριθμό των λογικών στοιχείων που χρησιμοποιεί. Ωστόσο, αυτό δεν είναι πάντα αλήθεια.

Μετατροπείς

Το απλούστερο λογικό στοιχείο είναι ο μετατροπέας (λογικό στοιχείο ΟΧΙ, "inverter"), που έχει ήδη αναφερθεί στο πρώτη διάλεξη. Ο μετατροπέας εκτελεί την απλούστερη λογική λειτουργία - την αντιστροφή, δηλαδή την αλλαγή της στάθμης του σήματος εισόδου στο αντίθετο. Έχει μόνο μία είσοδο και μία έξοδο. Η έξοδος του μετατροπέα μπορεί να είναι τύπου 2C ή τύπου ΟΚ. Επί ρύζι. 3.1Εμφανίζονται τα σύμβολα του μετατροπέα που έχουν υιοθετηθεί εδώ και στο εξωτερικό και μέσα τραπέζι 3.1Παρουσιάζεται ο πίνακας αλήθειας του μετατροπέα.

Ρύζι. 3.1.Σύμβολα μετατροπέων: ξένο (αριστερά) και εγχώριο (δεξιά)

Υπάρχουν συνήθως έξι μετατροπείς σε ένα πακέτο τσιπ. Η οικιακή ονομασία για μικροκυκλώματα inverter είναι "LN". Παραδείγματα: KR1533LN1 (SN74ALS04) - έξι μετατροπείς με έξοδο 2C, KR1533LN2 (SN74ALS05) - έξι μετατροπείς με έξοδο ΟΚ. Υπάρχουν επίσης μετατροπείς με έξοδο ΟΚ και με αυξημένο ρεύμα εξόδου (LN4), καθώς και με αυξημένη τάση εξόδου (LN3, LN5). Για μετατροπείς με έξοδο ΟΚ, η αντίσταση έλξης εξόδου πρέπει να είναι ενεργοποιημένη. Η ελάχιστη τιμή του μπορεί να υπολογιστεί πολύ απλά: R< U/I OL , где U - напряжение питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом - единиц кОм.

Οι δύο κύριες εφαρμογές των μετατροπέων είναι η αντιστροφή πολικότητας σήματος και η αντιστροφή ακμών σήματος. (Εικ. 3.2). Δηλαδή, από ένα θετικό σήμα εισόδου, ο μετατροπέας κάνει ένα αρνητικό σήμα εξόδου και αντίστροφα, και από ένα θετικό άκρο του σήματος εισόδου, ένα αρνητικό άκρο του σήματος εξόδου και αντίστροφα. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή ενός μετατροπέα είναι η προσωρινή αποθήκευση σήματος (με αναστροφή), δηλαδή η αύξηση της χωρητικότητας φορτίου του σήματος. Αυτό μπορεί να είναι απαραίτητο όταν ένα σήμα πρέπει να τροφοδοτηθεί σε πολλές εισόδους, αλλά το ρεύμα εξόδου της πηγής σήματος είναι ανεπαρκές.

Ρύζι. 3.2.Αναστροφή πολικότητας σήματος και αναστροφή ακμής σήματος

Είναι ο μετατροπέας, ως το απλούστερο στοιχείο, που χρησιμοποιείται συχνότερα από άλλα στοιχεία σε μη τυποποιημένα εγκλείσματα. Για παράδειγμα, οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα γεννήτριας τετραγωνικών κυμάτων (Εικ. 3.3), το σήμα εξόδου του οποίου αλλάζει περιοδικά από μηδέν σε μονάδα και πίσω. Όλα τα παραπάνω κυκλώματα, εκτός από το κύκλωμα d, κατασκευάζονται σε στοιχεία K155LN1, αλλά μπορούν να εφαρμοστούν και σε μετατροπείς άλλων σειρών με αντίστοιχη αλλαγή στις τιμές των αντιστάσεων. Για παράδειγμα, για τη σειρά K555, οι τιμές των αντιστάσεων τριπλασιάζονται περίπου. Το κύκλωμα d κατασκευάζεται με στοιχεία KR531LN1, καθώς απαιτεί μετατροπείς υψηλής ταχύτητας.

Ρύζι. 3.3.Κυκλώματα γεννητριών παλμών σε μετατροπείς

Τα κυκλώματα a, b και c είναι συμβατικοί ταλαντωτές RC, τα χαρακτηριστικά των οποίων (συχνότητα εξόδου, διάρκεια παλμού) μπορούν να υπολογιστούν μόνο κατά προσέγγιση. Για τα κυκλώματα a και b, με τις υποδεικνυόμενες τιμές της αντίστασης και του πυκνωτή, η συχνότητα παραγωγής θα είναι περίπου 100 kHz, για το κύκλωμα c - περίπου 1 MHz. Αυτά τα κυκλώματα συνιστώνται να χρησιμοποιούνται μόνο σε περιπτώσεις όπου η συχνότητα δεν είναι πολύ σημαντική, αλλά το γεγονός της ίδιας της παραγωγής είναι σημαντικό. Εάν η ακριβής τιμή της συχνότητας είναι σημαντική, τότε συνιστάται η χρήση κυκλωμάτων d και d, στα οποία η συχνότητα του σήματος εξόδου καθορίζεται μόνο από τα χαρακτηριστικά του συντονιστή χαλαζία. Το κύκλωμα d χρησιμοποιείται για έναν συντονιστή χαλαζία που λειτουργεί στην πρώτη (θεμελιώδη) αρμονική. Η τιμή χωρητικότητας μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

όπου F είναι η συχνότητα παραγωγής. Το κύκλωμα d χρησιμοποιείται για αρμονικούς συντονιστές χαλαζία, οι οποίοι λειτουργούν σε συχνότητα υψηλότερη από τη θεμελιώδη κατά 3, 5, 7 φορές (αυτό μερικές φορές είναι απαραίτητο για συχνότητες παραγωγής άνω των 20 MHz).

Ρύζι. 3.4.Χρήση μετατροπέων για καθυστέρηση σήματος

Οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται επίσης σε περιπτώσεις όπου είναι απαραίτητο να επιτευχθεί καθυστέρηση σήματος, αν και ασήμαντη (από 5 έως 100 ns). Για να επιτευχθεί μια τέτοια καθυστέρηση, ο απαιτούμενος αριθμός μετατροπέων είναι ενεργοποιημένος σε σειρά ( ρύζι. 3.4, παραπάνω). Σύνολο χρόνος καθυστέρησης, για παράδειγμα, για τέσσερις μετατροπείς, μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο

tЗ = 2t PHL + 2t PLH

Είναι αλήθεια ότι πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι συνήθως οι πραγματικές καθυστερήσεις των στοιχείων αποδεικνύονται σημαντικά χαμηλότερες (μερικές φορές ακόμη και οι μισές) από τις παραμέτρους του πίνακα t PHL και t PLH. Αυτό είναι περίπου ακριβής αξίαΔεν χρειάζεται να μιλήσουμε για την προκύπτουσα καθυστέρηση· μπορεί να εκτιμηθεί μόνο κατά προσέγγιση.

Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται επίσης για την καθυστέρηση του σήματος (Εικ. 3.4, παρακάτω). Σε αυτή την περίπτωση, η καθυστέρηση συμβαίνει λόγω της αργής φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή (τάση στον πυκνωτή - UC). Το κύκλωμα χωρίς αντίσταση (αριστερά στο σχήμα) δίνει καθυστέρηση περίπου 100 ns. Σε ένα κύκλωμα με αντίσταση (στα δεξιά στο σχήμα), η τιμή της αντίστασης πρέπει να είναι της τάξης των εκατοντάδων ohms. Αλλά όταν επιλέγετε τέτοια κυκλώματα με πυκνωτές, πρέπει να λάβετε υπόψη ότι ορισμένες σειρές μικροκυκλωμάτων (για παράδειγμα, KR1533) δεν λειτουργούν καλά με παρατεταμένα μέτωπα σημάτων εισόδου. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι ο αριθμός των πυκνωτών χρονισμού στο κύκλωμα είναι αντιστρόφως ανάλογος με το επίπεδο ικανότητας του σχεδιαστή του κυκλώματος.

Επιτέλους κάτι ακόμα εφαρμογή μετατροπέων, αλλά μόνο με την έξοδο OK, συνίσταται στην κατασκευή στη βάση τους των λεγόμενων στοιχείων "Wired OR". Για να γίνει αυτό, οι έξοδοι πολλών μετατροπέων με εξόδους ΟΚ συνδυάζονται και συνδέονται με την πηγή ισχύος μέσω μιας αντίστασης (Εικ. 3.5). Η έξοδος του κυκλώματος είναι η συνδυασμένη έξοδος όλων των στοιχείων. Αυτός ο σχεδιασμός εκτελεί τη λογική λειτουργία Ή-ΟΧΙ, δηλαδή, η έξοδος θα έχει σήμα λογικό ένα μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι μηδέν. Αλλά οι λογικές συναρτήσεις θα συζητηθούν με περισσότερες λεπτομέρειες αργότερα.

Ρύζι. 3.5.Συνδυασμός εξόδων μετατροπέα με OK για τη λειτουργία NOR

Συμπερασματικά αυτής της ενότητας, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η αντιστροφή σήματος χρησιμοποιείται επίσης μέσα σε πιο πολύπλοκα λογικά στοιχεία, καθώς και μέσα ψηφιακά τσιπεκτελώντας σύνθετες λειτουργίες.

Repeaters και Buffers

Οι επαναλήπτες και οι buffer διαφέρουν από τους μετατροπείς κυρίως στο ότι δεν αναστρέφουν το σήμα (αν και υπάρχουν και αναστροφείς buffer). Γιατί τότε χρειάζονται; Πρώτον, εκτελούν τη λειτουργία της αύξησης της χωρητικότητας φορτίου του σήματος, δηλαδή επιτρέπουν την παροχή ενός σήματος σε πολλές εισόδους. Για αυτό, υπάρχουν buffer με αυξημένο ρεύμα εξόδου και έξοδο 2C, για παράδειγμα, LP16 (έξι επαναλήπτες buffer). Δεύτερον, οι περισσότεροι buffer έχουν έξοδο OK ή 3C, που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται για τη λήψη αμφίδρομων γραμμών ή για σήματα πολυπλεξίας. Ας εξηγήσουμε αυτούς τους όρους με περισσότερες λεπτομέρειες.

Ρύζι. 3.6.Αμφίδρομη γραμμή

Οι αμφίδρομες γραμμές είναι εκείνες οι γραμμές (καλώδια) μέσω των οποίων τα σήματα μπορούν να ταξιδεύουν σε δύο αντίθετες κατευθύνσεις. Σε αντίθεση με τις μονοκατευθυντικές γραμμές, οι οποίες πηγαίνουν από μια έξοδο σε μία ή περισσότερες εισόδους, μια αμφίδρομη γραμμή μπορεί να συνδέσει πολλές εξόδους και πολλαπλές εισόδους ταυτόχρονα (Εικ. 3.6). Είναι σαφές ότι οι αμφίδρομες γραμμές μπορούν να οργανωθούν μόνο με βάση τις εξόδους OK ή 3C. Επομένως, σχεδόν όλα τα buffer έχουν ακριβώς αυτές τις εξόδους.

Ρύζι. 3.7.Μονόδρομη πολυπλεξική γραμμή που βασίζεται σε buffers

Η πολυπλεξία είναι η μετάδοση διαφορετικών σημάτων στις ίδιες γραμμές σε διαφορετικούς χρόνους. Ο κύριος σκοπός της πολυπλεξίας είναι η μείωση του συνολικού αριθμού των κορμών. Μια αμφίδρομη γραμμή είναι απαραιτήτως πολυπλεγμένη και μια πολύπλεξη γραμμή μπορεί να είναι είτε μονής κατεύθυνσης είτε αμφίδρομη. Αλλά σε κάθε περίπτωση, πολλές έξοδοι συνδέονται σε αυτό, μόνο μία από τις οποίες βρίσκεται σε ενεργή κατάσταση ανά πάσα στιγμή. Οι υπόλοιπες έξοδοι απενεργοποιούνται αυτή τη στιγμή (μεταφέρονται σε παθητική κατάσταση). Σε αντίθεση με μια αμφίδρομη γραμμή, μόνο μία είσοδος μπορεί να συνδεθεί σε μια πολυπλεκτική γραμμή που έχει δημιουργηθεί με βάση buffers, αλλά πρέπει να συνδεθούν πολλές έξοδοι με OK ή 3C (Εικ. 3.7). Οι πολυπλεξικές γραμμές μπορούν να δημιουργηθούν όχι μόνο σε buffers, αλλά και σε τσιπ πολυπλέκτη, τα οποία θα συζητηθούν στις διαλέξεις 5, 6.

Ρύζι. 3.8.Συνδυασμός εξόδων buffer με OK

Ένα παράδειγμα buffer με έξοδο ΟΚ είναι το τσιπ LP17 (έξι OK buffer). Ακριβώς το ίδιο όπως και στην περίπτωση των μετατροπέων με ΟΚ (βλ. Εικ. 3.5), οι έξοδοι πολλών buffer με OK μπορούν να συνδυαστούν για να ληφθεί η συνάρτηση "Επεξεργασία ΚΑΙ", δηλαδή, η έξοδος θα έχει ένα λογικό σήμα μόνο όταν όλες οι είσοδοι είναι μία (Εικ. 3.8). Δηλαδή, υλοποιείται ένα στοιχείο AND πολλαπλών εισόδων.

Τα buffer με έξοδο 3C αντιπροσωπεύονται πολύ περισσότερο μεγάλο ποσόμικροκυκλώματα, για παράδειγμα, LP8, LP11, AP5, AP6, AP14. Αυτά τα buffer έχουν απαραίτητα μια είσοδο ελέγχου EZ (ή OE), η οποία μετατρέπει τις εξόδους σε μια τρίτη, παθητική κατάσταση. Κατά κανόνα, η τρίτη κατάσταση αντιστοιχεί σε ένα σε αυτήν την είσοδο και η ενεργή κατάσταση των εξόδων αντιστοιχεί στο μηδέν, δηλαδή το σήμα EZ έχει αρνητική πολικότητα.

Τα buffer μπορεί να είναι μονοκατευθυντικά ή αμφίδρομα, με ή χωρίς αναστροφή σήματος, με έλεγχο όλων των εξόδων ταυτόχρονα ή με έλεγχο ομάδων εξόδων. Όλα αυτά καθορίζουν τη μεγάλη ποικιλία των buffer chip.

Πίνακας 3.2. Buffer πίνακα αλήθειας χωρίς αντιστροφή
Είσοδος		Εξοδος

Το απλούστερο μονόδρομο buffer χωρίς αναστροφή είναι το τσιπ LP8 (τέσσερις buffer με εξόδους τύπου 3C και ξεχωριστό έλεγχο). Κάθε ένα από τα τέσσερα buffer έχει τη δική του είσοδο ανάλυσης EZ. Ο πίνακας αλήθειας buffer είναι πολύ απλός (Πίνακας 3.2): όταν υπάρχει μηδενικό σήμα στην είσοδο ελέγχου, η έξοδος επαναλαμβάνει την είσοδο και όταν υπάρχει ένα μόνο σήμα, η έξοδος είναι απενεργοποιημένη. Αυτό το μικροκύκλωμα είναι βολικό στη χρήση για την επεξεργασία μεμονωμένων σημάτων, δηλαδή για την επανάληψη ενός σήματος εισόδου με δυνατότητα απενεργοποίησης της εξόδου.

Ρύζι. 3.9.Χρήση buffer 3C ως buffer με OK

Αυτά τα ίδια buffer είναι μερικές φορές βολικά στη χρήση για την αντικατάσταση των buffer με έξοδο ΟΚ (Εικ. 3.9). Σε αυτήν την περίπτωση, η είσοδος ελέγχου χρησιμεύει ως είσοδος πληροφοριών. Με μηδέν στην είσοδο παίρνουμε μηδέν στην έξοδο και με ένα στην είσοδο έχουμε μια τρίτη κατάσταση στην έξοδο.

Ρύζι. 3.10.Πολυπλεξία δύο κωδικών εισόδου με χρήση buffer με 3C

Πολύ συχνά είναι απαραίτητο να επεξεργάζονται όχι μεμονωμένα σήματα, αλλά ομάδες σημάτων, για παράδειγμα, σήματα που μεταδίδουν κωδικούς πολλαπλών bit. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι βολικό να χρησιμοποιείτε buffers με ομαδικό έλεγχο, δηλαδή με μία είσοδο άδειας EZ για πολλές εξόδους. Παραδείγματα είναι τα μικροκυκλώματα LP11 (έξι buffer, χωρισμένα σε δύο ομάδες: τέσσερα και δύο buffer, καθένα από τα οποία έχει τη δική του είσοδο ελέγχου) και AP5 (οκτώ buffer, χωρισμένα σε δύο ομάδες των τεσσάρων buffer, καθεμία από τις οποίες έχει τη δική της είσοδο ελέγχου ) .

Επί ρύζι. 3.10δείχνει ένα παράδειγμα πολυπλεξίας δύο κωδικών οκτώ bit χρησιμοποιώντας δύο μικροκυκλώματα AP5. Οι εξόδους με το ίδιο όνομα και των δύο μικροκυκλωμάτων συνδυάζονται μεταξύ τους. Η διέλευση καθενός από τους δύο κωδικούς εισόδου στην έξοδο επιτρέπεται από το δικό του σήμα ελέγχου (Παρ. 1 και Παράδειγμα 2) και η ταυτόχρονη άφιξη αυτών των δύο σημάτων πρέπει να αποκλείεται ώστε να μην υπάρχουν συγκρούσεις στις εξόδους.

Ρύζι. 3.11.Ενεργοποίηση αμφίδρομης προσωρινής μνήμης

Τα αμφίδρομα buffer, σε αντίθεση με τα μονής κατεύθυνσης buffer, επιτρέπουν τη μετάδοση σημάτων και προς τις δύο κατευθύνσεις. Ανάλογα με το ειδικό σήμα ελέγχου T (μια άλλη ονομασία είναι BD), οι είσοδοι μπορούν να γίνουν έξοδοι και αντίστροφα: οι έξοδοι μπορούν να γίνουν είσοδοι. Υπάρχει επίσης μια είσοδος ελέγχου τρίτης κατάστασης EZ, η οποία μπορεί να απενεργοποιήσει τόσο τις εισόδους όσο και τις εξόδους.

Επί ρύζι. 3.11Για παράδειγμα, εμφανίζεται μια αμφίδρομη προσωρινή μνήμη AP6, η οποία μπορεί να μεταφέρει δεδομένα μεταξύ δύο αμφίδρομων διαύλων Α και Β και προς τις δύο κατευθύνσεις. Σε ένα μόνο επίπεδο στην είσοδο ελέγχου T (σήμα βολτ.), τα δεδομένα μεταφέρονται από το δίαυλο Α στο δίαυλο Β και σε μηδενικό επίπεδο - από το δίαυλο Β στο δίαυλο Α (Πίνακας 3.3). Ένα μόνο επίπεδο στην είσοδο ελέγχου EZ (σήμα απενεργοποίησης) αποσυνδέει το μικροκύκλωμα και από τους δύο διαύλους.

Πίνακας 3.3. Πίνακας αληθειών αμφίδρομης προσωρινής μνήμης
Είσοδος Τ	Είσοδος-EZ	Λειτουργία

Η αμφίδρομη μετάδοση μπορεί επίσης να οργανωθεί με βάση μονοκατευθυντικά buffers. Επί ρύζι. 3.12φαίνεται πώς μπορεί να γίνει αυτό σε δύο μικροκυκλώματα AP5. Εδώ, με μηδενικό σήμα Έλεγχος. 1 πληροφορίες θα μεταδοθούν από το δίαυλο Α στο δίαυλο Β και με μηδενικό σήμα στην είσοδο Ελέγχου. 2 - από το δίαυλο Β στο δίαυλο Α. Εάν και οι δύο είσοδοι Έλεγχος. 1 και Ex. 2 βρίσκονται στην ενιαία κατάσταση, τότε οι δίαυλοι Α και Β αποσυνδέονται μεταξύ τους και η παροχή μηδενικών και στις δύο εισόδους Ελέγχου. 1 και Ex. 2 πρέπει να εξαιρεθεί, διαφορετικά η κατάσταση και των δύο λεωφορείων Α και Β θα είναι απροσδιόριστη.

Ρύζι. 3.12.Οργάνωση αμφίδρομης μετάδοσης με χρήση μονόδρομων buffer

Τα μικροκυκλώματα buffer σε οικιακές σειρές έχουν διάφορες ονομασίες: LN, LP, AP, IP, κάτι που μερικές φορές δυσκολεύει την επιλογή τους. Για παράδειγμα, LN6, LP8, LP11, AP5, AP6, IP5, IP6. Τα buffer με τα γράμματα LN έχουν αντιστροφή, τα buffer AP και IP μπορεί να είναι με ή χωρίς αντιστροφή. Όλες οι παράμετροι των buffer είναι αρκετά παρόμοιες, η διαφορά είναι στην αντιστροφή, τον αριθμό των bit και τα σήματα ελέγχου.

Οι παράμετροι χρονισμού των buffer περιλαμβάνουν, εκτός από την καθυστέρηση σήματος από την είσοδο πληροφοριών στην έξοδο πληροφοριών, και τις καθυστερήσεις στη μετάβαση της εξόδου στην τρίτη κατάσταση και από την τρίτη κατάσταση στην ενεργή κατάσταση (t PHZ, t PLZ και t PZH, t PZL). Τα μεγέθη αυτών των καθυστερήσεων είναι συνήθως περίπου διπλάσια από τις καθυστερήσεις μεταξύ εισόδου και εξόδου πληροφοριών.

Η εναλλαγή εξόδου των buffer (τόσο ΟΚ όσο και 3C) απαιτεί τη χρήση αντιστάσεων φορτίου. Διαφορετικά, η είσοδος που συνδέεται με την αποσυνδεδεμένη έξοδο αναστέλλεται, με αποτέλεσμα το κύκλωμα να λειτουργεί ασταθώς και να αποτύχει. Η αντίσταση συνδέεται σε περίπτωση εξόδου ΟΚ (pull-up) με τυπικό τρόπο (βλ. Εικ. 3.8). Με τον ίδιο τρόπο, μια αντίσταση μπορεί να συνδεθεί μεταξύ της εξόδου 3C και της τάσης τροφοδοσίας (Εικ. 3.13), τότε όταν η έξοδος είναι απενεργοποιημένη, η είσοδος θα λάβει ένα λογικό επίπεδο. Ωστόσο, μπορείτε επίσης να ενεργοποιήσετε μια αντίσταση μεταξύ της εξόδου και της γείωσης, τότε όταν η έξοδος είναι απενεργοποιημένη, ένα λογικό μηδενικό σήμα θα σταλεί στην είσοδο. Χρησιμοποιείται επίσης η συμπερίληψη δύο αντιστάσεων (resistive divider), ενώ η τιμή της άνω αντίστασης (συνδεδεμένη με τον δίαυλο ισχύος) επιλέγεται συνήθως 2-3 φορές μικρότερη από την κάτω αντίσταση (συνδεδεμένη με τη γείωση) και η τιμή της επιλέγεται παράλληλη σύνδεση δύο αντιστάσεων ίση με περίπου 100 ohms. Για παράδειγμα, οι αντιστάσεις μπορούν να έχουν τιμές 240 ohms και 120 ohms, 360 ohms και 130 ohms. Η απενεργοποιημένη έξοδος γίνεται αντιληπτή σε αυτήν την περίπτωση από την είσοδο που είναι συνδεδεμένη σε αυτήν ως μονάδα.

Ρύζι. 3.13.Ενεργοποίηση αντιστάσεων στην έξοδο των buffer 3C

Μερικές φορές οι αντιστάσεις δεν συνδέονται καθόλου στις εξόδους 3C, αλλά σε αυτήν την περίπτωση είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι η επόμενη είσοδος λαμβάνει το σήμα από την έξοδο 3C (δηλαδή, αντιδρά σε αυτήν) μόνο όταν η έξοδος είναι σε ενεργή κατάσταση. Διαφορετικά, είναι πιθανές δυσλειτουργίες και αστοχίες στη λειτουργία της συσκευής.

Ρύζι. 3.14.Χρήση buffers για εμφάνιση

Μια άλλη κοινή εφαρμογή των buffer, λόγω των υψηλών ρευμάτων εξόδου τους, είναι η οθόνη LED. Τα LED μπορούν να συνδεθούν στην έξοδο των buffer με δύο κύριους τρόπους (Εικ. 3.14). Στο πρώτο από αυτά (στα αριστερά στο σχήμα), το LED ανάβει όταν υπάρχει ένα λογικό σήμα 3C ή 2C στην έξοδο και στο δεύτερο (στα δεξιά στο σχήμα) - όταν υπάρχει ένα λογικό μηδενικό σήμα στην έξοδο ΟΚ. Η τιμή της αντίστασης επιλέγεται με βάση τα χαρακτηριστικά του LED, αλλά συνήθως είναι περίπου 1 kOhm.

Στοιχεία ΚΑΙ, ΚΑΙ-ΟΧΙ, Ή, ΟΥΤΕ-ΟΧΙ

Το επόμενο βήμα προς την αύξηση της πολυπλοκότητας των ψηφιακών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων είναι στοιχεία που εκτελούν απλές λογικές λειτουργίες. Αυτό που έχουν όλα αυτά τα στοιχεία κοινό είναι ότι έχουν πολλά ίσοςεισόδους (από 2 έως 12) και μία έξοδο, το σήμα στο οποίο καθορίζεται από ένα συνδυασμό σημάτων εισόδου.

Οι πιο κοινές λογικές συναρτήσεις είναι AND (στον εγχώριο συμβολισμό - LI), AND-NOT (σημειώνεται με LA), OR (σημειώνεται με LL) και NOR-NOT (σημειώνεται με LL). Η παρουσία της λέξης NOT στο όνομα του στοιχείου σημαίνει μόνο ένα πράγμα - ενσωματωμένη αντιστροφή σήματος. Οι ακόλουθες συντμήσεις χρησιμοποιούνται στο διεθνές σύστημα σημειογραφίας: AND - AND function, NAND - Λειτουργία NAND, OR - OR λειτουργία, NOR - OR-NOT.

Τα ονόματα των συναρτήσεων AND και OR υποδεικνύουν την κατάσταση υπό την οποία εμφανίζεται το σήμα εξόδου στις εισόδους. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι σε αυτή την περίπτωση μιλάμε για θετική λογική, για θετικά, μεμονωμένα σήματα στις εισόδους και στην έξοδο.

Το στοιχείο AND δημιουργεί ένα στην έξοδο εάν και μόνο εάν υπάρχουν σε όλες τις εισόδους του (την πρώτη, τη δεύτερη, την τρίτη, κ.λπ.). Αν μιλάμε γιασχετικά με το στοιχείο AND-NOT, τότε σχηματίζεται ένα μηδέν στην έξοδο όταν όλες οι είσοδοι είναι ένα (Πίνακας 3.4). Ο αριθμός πριν από το όνομα της συνάρτησης υποδεικνύει τον αριθμό των εισόδων στοιχείων. Για παράδειγμα, το 8AND-NOT είναι μια πύλη ΚΑΙ οκτώ εισόδων με αντιστροφή στην έξοδο.

Πίνακας 3.4. Πίνακας αληθείας στοιχείων δύο εισόδων AND, NAND, OR, NOR
Είσοδος 1	Είσοδος 2	Έξοδος Και	Έξοδος NAND	Έξοδος Ή	ΟΥΤΕ έξοδο

Το στοιχείο OR δημιουργεί μηδέν στην έξοδο εάν και μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι μηδέν. Το στοιχείο OR-NOT δίνει μηδενική έξοδο εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους έχει ένα ( τραπέζι 3.4). Παράδειγμα χαρακτηρισμού: 4OR-NOT - στοιχείο OR τεσσάρων εισόδων με αντιστροφή στην έξοδο.

Ρύζι. 3.15.Ονομασίες στοιχείων AND, AND-NOT, OR, OR-NOT: ξένο (αριστερά) και εγχώριο (δεξιά)

Οι εγχώριοι και ξένοι χαρακτηρισμοί στα διαγράμματα των στοιχείων δύο εισόδων AND, AND-NOT, OR, OR-NOT εμφανίζονται στο ρύζι. 3.15. Όλα αυτά τα στοιχεία διαθέτουν εξόδους τύπου 2C, OK και 3C. Στην τελευταία περίπτωση, πρέπει να υπάρχει μια είσοδος ενεργοποίησης –EZ.

Δεν είναι δύσκολο να το παρατηρήσετε (βλέπε πίνακα 3.4), ότι στην περίπτωση αρνητικής λογικής, με μηδενικά σήματα εισόδου και εξόδου, το στοιχείο AND εκτελεί τη λειτουργία OR, δηλαδή η έξοδος θα είναι μηδέν εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους είναι μηδέν. Και το στοιχείο OR με αρνητική λογική εκτελεί τη συνάρτηση AND, δηλαδή η έξοδος θα είναι μηδέν μόνο όταν όλες οι είσοδοι περιέχουν μηδενικά. Και αφού στην πραγματική ζωή ηλεκτρονικές συσκευέςΤα σήματα μπορεί να είναι οποιασδήποτε πολικότητας (τόσο θετικά όσο και αρνητικά), τότε πρέπει πάντα να επιλέγετε πολύ προσεκτικά το στοιχείο που απαιτείται σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό να το θυμάστε αυτό όταν πολλά διαφορετικά λογικά στοιχεία με και χωρίς αναστροφή συνδέονται σε σειρά για να λάβετε μια σύνθετη συνάρτηση.

Επομένως, δεν είναι πάντα βολικό για τον προγραμματιστή να χρησιμοποιεί τα στοιχεία AND, AND-NOT, OR, OR-NOT ακριβώς για την εκτέλεση των λογικών λειτουργιών που υποδεικνύονται στο όνομά τους. Μερικές φορές είναι πιο βολικό να τα χρησιμοποιείτε ως στοιχεία αποδοχής/άρνησης ή ανάμειξης/ταιριάσματος. Αλλά πρώτα, θα εξετάσουμε περιπτώσεις υλοποίησης λογικών συναρτήσεων σε αυτά τα στοιχεία.

Επί ρύζι. 3.16δίνονται παραδείγματα σχηματισμού σημάτων εξόδου από στοιχεία με βάση τα απαιτούμενα διαγράμματα χρονισμού των σημάτων εισόδου και εξόδου. Στην περίπτωση α, το σήμα εξόδου πρέπει να είναι ίσο με ένα με δύο σήματα εισόδου μονάδων, επομένως, το στοιχείο 2I είναι αρκετό. Στην περίπτωση β, το σήμα εξόδου θα πρέπει να είναι ίσο με μηδέν, όταν τουλάχιστον ένα από τα σήματα εισόδου είναι ίσο με ένα, επομένως, απαιτείται ένα στοιχείο 2OR-NOT. Τέλος, στην περίπτωση Β, το σήμα εξόδου πρέπει να είναι ίσο με μηδέν όταν φθάνει ταυτόχρονα ένα μόνο σήμα εισόδου. 1, μηδενικό σήμα εισόδου. 2 και μονό σήμα In. 3. Κατά συνέπεια, απαιτείται ένα στοιχείο 3I-NOT και το σήμα είναι In. Το 2 πρέπει πρώτα να αντιστραφεί.

Ρύζι. 3.16.Παραδείγματα χρήσης στοιχείων AND και OR

Οποιοδήποτε από τα λογικά στοιχεία της υπό εξέταση ομάδας μπορεί να θεωρηθεί ως ελεγχόμενος πομπός του σήματος εισόδου (με ή χωρίς αναστροφή).

Για παράδειγμα, στην περίπτωση του στοιχείου 2I-NOT, μία από τις εισόδους μπορεί να θεωρηθεί πληροφοριακή και η άλλη - έλεγχος. Σε αυτήν την περίπτωση, όταν η είσοδος ελέγχου είναι μία, το σήμα εξόδου θα είναι ίσο με το ανεστραμμένο σήμα εισόδου και όταν η είσοδος ελέγχου είναι μηδέν, το σήμα εξόδου θα είναι συνεχώς ίσο με ένα, δηλαδή τη διέλευση του σήματος εισόδου θα απαγορευθεί. Τα στοιχεία 2I-NOT με έξοδο ΟΚ χρησιμοποιούνται συχνά ακριβώς ως ελεγχόμενα buffer για λειτουργία σε πολυπλεξία ή αμφίδρομη γραμμή.

Με τον ίδιο τρόπο, τα στοιχεία AND, OR, OR-NOT μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως στοιχείο άδειας/απαγόρευσης (Εικ. 3.17). Η διαφορά μεταξύ των στοιχείων συνίσταται μόνο στην πολικότητα του σήματος ελέγχου, στην αναστροφή (ή απουσία αυτού) του σήματος εισόδου, καθώς και στη στάθμη του σήματος εξόδου (μηδέν ή ένα) κατά τη διέλευση του σήματος εισόδου απαγορεύεται.

Ρύζι. 3.17.Ενεργοποίηση/απαγόρευση διέλευσης σημάτων σε στοιχεία ΚΑΙ, ΚΑΙ-ΟΧΙ, OR, NOR-NOT

Ρύζι. 3.18.Η εμφάνιση ενός επιπλέον άκρου όταν το σήμα εισόδου είναι απενεργοποιημένο

Όταν χρησιμοποιείτε στοιχεία ενεργοποίησης/απενεργοποίησης, ενδέχεται να προκύψουν πρόσθετα προβλήματα όταν το σήμα από την έξοδο του στοιχείου πηγαίνει σε μια είσοδο που αντιδρά στην άκρη του σήματος. Τη στιγμή της μετάβασης από την κατάσταση ενεργοποίησης στην κατάσταση απαγόρευσης και από την κατάσταση απαγόρευσης στην κατάσταση ενεργοποίησης, μπορεί να εμφανιστεί ένα πρόσθετο άκρο στο σήμα εξόδου, το οποίο σε καμία περίπτωση δεν συνδέεται με το σήμα εισόδου (Εικ. 3.18). Για να μην συμβεί αυτό, πρέπει να τηρείτε τα ακόλουθα απλός κανόνας: Εάν η είσοδος αντιδρά σε μια θετική ακμή, τότε στην κατάσταση αναστολής η έξοδος του στοιχείου πρέπει να είναι μηδέν και αντίστροφα.

Μερικές φορές είναι απαραίτητο να υλοποιηθεί μια λειτουργία για τη μίξη δύο σημάτων της μιας ή της άλλης πολικότητας. Δηλαδή, το σήμα εξόδου πρέπει να παράγεται τόσο όταν φθάνει ένα σήμα εισόδου όσο και όταν έρχεται ένα άλλο σήμα εισόδου. Εάν και τα δύο σήματα εισόδου είναι θετικά και το σήμα εξόδου είναι θετικό, τότε έχουμε καθαρή μορφή OR συνάρτηση και απαιτείται ένα στοιχείο 2OR. Ωστόσο, με αρνητικά σήματα εισόδου και αρνητικό σήμα εξόδου, θα χρειαστεί ένα στοιχείο 2I για την ίδια ανάμειξη. Και αν η πολικότητα των σημάτων εισόδου δεν συμπίπτει με την επιθυμητή πολικότητα του σήματος εξόδου, τότε χρειάζονται στοιχεία με αντιστροφή (ΚΑΙ-ΟΧΙ για θετικά σήματα εξόδου και ΟΧΙ-ΟΧΙ για αρνητικά σήματα εξόδου). Επί ρύζι. 3.19Εμφανίζονται οι επιλογές ανάμειξης σε διαφορετικά στοιχεία.

Ρύζι. 3.19.Υλοποίηση μίξης δύο σημάτων

Τέλος, τα υπό εξέταση στοιχεία AND, AND-NOT, OR, OR-NOT είναι μερικές φορές βολικά για χρήση ως ταιριαστά κυκλώματα για διάφορα σήματα. Δηλαδή, το σήμα εξόδου πρέπει να παράγεται όταν τα σήματα στις εισόδους συμπίπτουν (φθάνουν ταυτόχρονα). Εάν δεν υπάρχει αντιστοιχία, τότε δεν θα πρέπει να υπάρχει σήμα εξόδου. Επί ρύζι. 3.20Παρουσιάζονται παραλλαγές τέτοιων σχημάτων σύμπτωσης σε τέσσερα διαφορετικά στοιχεία. Διαφέρουν ως προς τις πολικότητες των σημάτων εισόδου, καθώς και στην παρουσία ή απουσία αντιστροφής του σήματος εξόδου.

Ρύζι. 3.20.Σχέδια αντιστοίχισης δύο σημάτων

Ας εξετάσουμε δύο παραδείγματα κοινής χρήσης των στοιχείων AND, NAND, OR, NOR ( ρύζι. 3.21).

Ρύζι. 3.21.Παραδείγματα μοιρασιάστοιχεία

Ας υποθέσουμε ότι είναι απαραίτητο να αναμειχθούν δύο σήματα, καθένα από τα οποία μπορεί να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί. Αφήστε την πολικότητα των σημάτων εισόδου και ενεργοποίησης να είναι θετική και το σήμα εξόδου να είναι αρνητικό. Σε αυτήν την περίπτωση, πρέπει να πάρετε δύο πύλες AND δύο εισόδων και να αναμίξετε τα σήματα εξόδου τους χρησιμοποιώντας μια πύλη NOR δύο εισόδων (a).

Ας υποθέσουμε ότι είναι απαραίτητο να αναμειχθούν δύο αρνητικά σήματα και ένα θετικό σήμα και το σήμα που προκύπτει μπορεί να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί. Η πολικότητα του σήματος ενεργοποίησης είναι αρνητική, η πολικότητα του σήματος εξόδου είναι αρνητική. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να πάρετε ένα στοιχείο AND τριών εισόδων, έναν μετατροπέα για το αρνητικό σήμα εισόδου και ένα στοιχείο OR δύο εισόδων (b).

Τα στοιχεία ΚΑΙ, AND-NOT, OR, OR-NOT μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως μετατροπείς ή επαναλήπτες (Εικ. 3.22), για τις οποίες είναι απαραίτητος ο συνδυασμός των εισόδων ή η παροχή σήματος της απαιτούμενης στάθμης σε αχρησιμοποίητες εισόδους. Το δεύτερο είναι προτιμότερο, καθώς ο συνδυασμός εισόδων όχι μόνο αυξάνει το ρεύμα εισόδου, αλλά και μειώνει κάπως την απόδοση των στοιχείων.

Ρύζι. 3.22.Μετατροπείς και επαναλήπτες

Ρύζι. 3.23.Συνδυασμός εισόδων I μικροκυκλωμάτων

Η συνάρτηση AND συχνά συνδυάζει τις εισόδους πιο πολύπλοκων μικροκυκλωμάτων. Με άλλα λόγια, κάποια λειτουργία εκτελείται μόνο όταν όλες οι είσοδοι συνδυασμένες με ΚΑΙ λαμβάνουν σήματα της απαιτούμενης πολικότητας. Τις περισσότερες φορές, οι είσοδοι για την επιλογή του τσιπ CS και οι είσοδοι ελέγχου για την τρίτη κατάσταση της εξόδου του τσιπ EZ συνδυάζονται χρησιμοποιώντας AND. Επί ρύζι. 3.23Παρουσιάζονται τρία παραδείγματα τέτοιου συνδυασμού AND Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι για να εκτελεστεί η λειτουργία, πρέπει να λαμβάνονται μηδενικά σήματα στις αντίστροφες εισόδους και μεμονωμένα σήματα πρέπει να λαμβάνονται στις άμεσες εισόδους. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τα μικροκυκλώματα KR556RT4, KR556RT5, KR1533AP14, KR1533AP15.

Μέχρι τώρα, λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία AND, NAND, OR, NOR, δεν έχουμε προχωρήσει πέρα από το πρώτο επίπεδο αναπαράστασης ( λογικό μοντέλο). Αυτό είναι αρκετά αποδεκτό στην περίπτωση που τα σήματα εισόδου των στοιχείων δεν αλλάζουν ταυτόχρονα ή σχεδόν ταυτόχρονα, όταν οι μετώπες τους απέχουν σημαντικά χρονικά (περισσότερο από τον χρόνο καθυστέρησης του στοιχείου). Με ταυτόχρονες αλλαγές στα σήματα εισόδου, όλα θα είναι πολύ πιο περίπλοκα· είναι απαραίτητο να περιλαμβάνει ένα δεύτερο και μερικές φορές τρίτο επίπεδο αναπαράστασης. Όταν αλλάζουν τα σήματα εισόδου, το σήμα εξόδου γίνεται αβέβαιο, ασταθές και απρόβλεπτο. Ως αποτέλεσμα, εάν η σχεδίαση είναι εσφαλμένη, ένα ολόκληρο σύνθετο κύκλωμα, μια ολόκληρη συσκευή ή ακόμα και ένα μεγάλο σύστημα μπορεί να μην λειτουργεί.

Για παράδειγμα, ας πάρουμε ένα λογικό στοιχείο 2AND-NOT. Αφήστε τα σήματα να φτάνουν στις εισόδους του που αλλάζουν ταυτόχρονα, και σε αντιφάση, δηλαδή το ένα αλλάζει από το μηδέν στο ένα και το άλλο από το ένα στο μηδέν. Ας υποθέσουμε ότι για τον ένα ή τον άλλο λόγο (λόγω μετάδοσης μέσω καλωδίων, λόγω διαφόρων καθυστερήσεων στοιχείων κ.λπ.) ένα από τα σήματα έχει μετατοπιστεί ελαφρά χρονικά σε σχέση με το άλλο (Εικ. 3.24). Σε αυτήν την περίπτωση, δύο μεμονωμένα σήματα θα υπάρχουν σε δύο εισόδους για σύντομο χρονικό διάστημα. Ως αποτέλεσμα, η έξοδος θα αρχίσει να αλλάζει από το ένα στο μηδέν. Μπορεί να έχει χρόνο να αλλάξει και τότε θα σχηματιστεί μια σύντομη παρόρμηση. Μπορεί να μην έχει χρόνο να αλλάξει και τότε δεν θα υπάρχει παρόρμηση. Μερικές φορές μπορεί να έχει χρόνο για εναλλαγή και μερικές φορές μπορεί να μην έχει χρόνο και τότε ο παλμός εξόδου είτε θα εμφανιστεί είτε όχι. Όλα εξαρτώνται από την ταχύτητα του στοιχείου και το μέγεθος της καθυστέρησης. Η τελευταία κατάσταση είναι η πιο δυσάρεστη, καθώς μπορεί να προκαλέσει ένα ασταθές σφάλμα, το οποίο είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστεί.

Ρύζι. 3.24.Μικρός παλμός στην έξοδο του στοιχείου 2I-NOT

Ως παράδειγμα, ας πάρουμε μια από τις πιο κοινές εφαρμογές των στοιχείων που εξετάζουμε ΚΑΙ, ΚΑΙ-ΟΧΙ, Ή, ΟΥΤΕ-ΟΧΙ - επιλογή κώδικα. Η ουσία της επιλογής καταλήγει στα εξής. Ας υπάρχει ένα συγκεκριμένο λεωφορείο μέσω του οποίου μεταδίδονται κωδικοί. Είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η εμφάνιση κάποιου είδους συγκεκριμένο κωδικό, δηλαδή να δημιουργήσετε ένα σήμα εξόδου που αντιστοιχεί στον απαιτούμενο κωδικό εισόδου.

Ρύζι. 3.25.Επιλογή κωδικού πύλης

Το κύκλωμα που εκτελεί αυτή τη λειτουργία είναι αρκετά απλό. (Εικ. 3.25). Βασίζεται σε στοιχεία πολλαπλών εισόδων ΚΑΙ ΟΧΙ. Στην περίπτωση αυτή, τα σήματα που αντιστοιχούν στα bit του κώδικα, τα οποία θα πρέπει να περιέχουν, τροφοδοτούνται απευθείας στις εισόδους των στοιχείων NAND. Και τα σήματα που αντιστοιχούν στα bit του κώδικα, τα οποία θα πρέπει να περιέχουν μηδενικά, παρέχονται στις εισόδους των στοιχείων NAND μέσω μετατροπέων. Τα σήματα εξόδου των πυλών NAND συνδυάζονται χρησιμοποιώντας την πύλη NOR. Ως αποτέλεσμα, το σήμα εξόδου παράγεται στην έξοδο του στοιχείου OR-NOT. 1 τη στιγμή που υπάρχει ο απαιτούμενος κωδικός στην είσοδο.

Ο συγχρονισμός θα συζητηθεί λεπτομερέστερα στις επόμενες διαλέξεις.

Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις όπου η καθορισμένη δυνατότητα των στοιχείων AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT για τη δημιουργία σύντομων παλμών κατά την αλλαγή των σημάτων εισόδου αποδεικνύεται πολύ χρήσιμη. Για παράδειγμα, πρέπει να δημιουργήσουμε έναν σύντομο παλμό στη θετική ή αρνητική άκρη ενός υπάρχοντος σήματος. Στη συνέχεια, αυτό το σήμα αναστρέφεται, με ειδική καθυστέρηση χρησιμοποιώντας μια αλυσίδα στοιχείων ή χωρητικότητας, και το αρχικό σήμα και το σήμα καθυστέρησης παρέχονται στις εισόδους του στοιχείου (Εικ. 3.26).

Ρύζι. 3.26.Γεννήτριες σύντομων παλμών κατά μήκος της άκρης του σήματος εισόδου

Ένας παλμός στο θετικό άκρο του σήματος εισόδου σχηματίζεται στο στοιχείο 2I ή 2I-NOT (a) και ένας παλμός στο αρνητικό άκρο του σήματος εισόδου δημιουργείται στο στοιχείο 2OR ή 2OR-NOT (b). Εάν το στοιχείο είναι με αναστροφή, τότε ο παλμός εξόδου θα είναι αρνητικός, αν δεν έχει αναστροφή, τότε θετικός. Με την τιμή χωρητικότητας που υποδεικνύεται στα διαγράμματα, η διάρκεια παλμού είναι περίπου 50 ns. Για να αυξήσετε τη διάρκεια του παλμού, είναι απαραίτητο να αυξήσετε την τιμή χωρητικότητας ή τον αριθμό των μετατροπέων στο κύκλωμα καθυστέρησης (σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των μετατροπέων πρέπει να είναι περιττός).

Το άρθρο εξετάζει ένα ψηφιακό διακριτό σήμα. Αυτό είναι ένα σήμα που έχει πολλά επίπεδα. Προφανώς, ένα δυαδικό σήμα έχει δύο επίπεδα - και λαμβάνονται ως 0 και 1. Όταν ένα υψηλό επίπεδο συμβολίζεται με ένα και ένα χαμηλό επίπεδο με μηδέν, μια τέτοια λογική ονομάζεται θετική, διαφορετικά αρνητική.

Ένα ψηφιακό σήμα μπορεί να αναπαρασταθεί ως διάγραμμα χρονισμού.

Στη φύση, διακριτά σήματα δεν υπάρχουν, επομένως αντικαθίστανται από αναλογικά. Ένα αναλογικό σήμα δεν μπορεί να πάει από το 0 στο 1 αμέσως, επομένως ένα τέτοιο σήμα έχει μια αιχμή και μια πτώση.
Αν το σχεδιάσετε με απλοποιημένο τρόπο, μοιάζει με αυτό:

1 - χαμηλό επίπεδο σήματος, 2 - υψηλό επίπεδο σήματος, 3 - άνοδος σήματος (άκρη), 4 - πτώση σήματος (κοπή)

Άρνηση - αντιστρέφει το σήμα.
Στα διαγράμματα υποδεικνύεται ως εξής:

Λογικό OR (λογική προσθήκη, διαχωρισμός)

Στο διάγραμμα:

Λογικό ΚΑΙ (λογικός πολλαπλασιασμός, σύνδεσμος)

Στο διάγραμμα:

Ένας συνοπτικός πίνακας λογικών συναρτήσεων δύο ορισμάτων μοιάζει με αυτό:

Η εργασία με λογικές συναρτήσεις βασίζεται στους νόμους της λογικής άλγεβρας, τα βασικά των οποίων περιγράφονται στο συνημμένο αρχείο. Υπάρχουν επίσης εργασίες για ερωτήσεις αυτοελέγχου και ελέγχου σχετικά με το θέμα.

Σχεδιασμός λογικών κυκλωμάτων με χρήση συναρτήσεων λογικής άλγεβρας

Λογικό κύκλωμαείναι ένα σύνολο λογικών ηλεκτρονικών στοιχείων που συνδέονται μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε να εκπληρώνεται ένας δεδομένος νόμος λειτουργίας του κυκλώματος, με άλλα λόγια, να εκτελείται μια δεδομένη λογική λειτουργία.
Με βάση την εξάρτηση του σήματος εξόδου από το σήμα εισόδου, όλα τα ηλεκτρονικά λογικά κυκλώματα μπορούν να χωριστούν σε:

Σχεδόν κάθε υπολογιστής αποτελείται από ένα συνδυασμό κυκλωμάτων του πρώτου και του δεύτερου τύπου ποικίλης πολυπλοκότητας. Έτσι, η βάση κάθε ψηφιακής μηχανής που επεξεργάζεται ψηφιακές πληροφορίες είναι ηλεκτρονικά στοιχεία δύο τύπων: σπαζοκεφαλιάή συνδυαστικήΚαι απομνημόνευση. Τα λογικά στοιχεία εκτελούν τις απλούστερες λογικές πράξεις σε ψηφιακές πληροφορίες και τα στοιχεία αποθήκευσης χρησιμεύουν για την αποθήκευση τους. Όπως γνωρίζετε, μια λογική λειτουργία συνίσταται στη μετατροπή ψηφιακών πληροφοριών εισόδου σε έξοδο σύμφωνα με ορισμένους κανόνες.

Μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι στοιχειώδεις λογικές συναρτήσεις είναι λογικοί τελεστές των αναφερόμενων ηλεκτρονικών στοιχείων, δηλ. συστήματα Κάθε τέτοιο σχήμα υποδεικνύεται με ένα συγκεκριμένο γραφικό σύμβολο. (Παρουσιάστηκαν παραπάνω - Στοιχεία AND, OR, NOT, OR-NOT, AND-NOT)

Για παράδειγμα, παρακάτω είναι ένα ηλεκτρικό λειτουργικό διάγραμμα ενός λογικού μετατροπέα (συνδυαστική μηχανή) που υλοποιεί μια λογική συνάρτηση σε μια στοιχειώδη βάση λογικών στοιχείων ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ.

Για ενοποίηση, προτείνω να συνθέσουμε ανεξάρτητα ένα λογικό κύκλωμα που υλοποιεί τις ακόλουθες λογικές συναρτήσεις:

Αυτό μπορεί να γίνει, για παράδειγμα, στον Ηλεκτρονικό πάγκο εργασίας.

Ακολουθεί ένα παράδειγμα της πρώτης ολοκληρωμένης εργασίας: