Ministerul Federației Ruse

Universitatea Politehnică din Tomsk

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

INGINERIA CIRCUITURILOR DIGITALE

Parteeu

Tutorial

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Circuite digitale. Manual indemnizatie. P.I. Tomsk: Editura. TPU, 2002. - 160 p.

Manualul conturează principalele probleme ale cursului de prelegeri pentru studenții specialității 210100 Management și informatică în sisteme tehnice. Manualul a fost întocmit la Departamentul de Automatizări și Sisteme Calculatoare a UPT, corespunde curriculum-ului disciplinei și este destinat studenților Institutului de Învățământ la Distanță.

Publicat conform rezoluției Consiliului Editorial și de Publicare al Universității Politehnice din Tomsk

Recenzători:

V.M. Dmitriev profesor, doctor în științe tehnice, șef al Departamentului de Fundamente teoretice de inginerie electrică, Universitatea Tomsk de Sisteme de Control și Radioelectronică;

SI. Korolev Director al NPO Spetstekauditservis LLP,

Candidat la Științe Tehnice, Cercetător Superior.

Templan 2002

Universitatea Politehnică din Tomsk, 2002

Introducere

Acest manual este destinat studenților instituțiilor de învățământ superior care studiază la specialitatea 210100 „Informatică și management în sisteme tehnice”. Este compilat pe baza unui curs de prelegeri susținute de autor la Universitatea Politehnică din Tomsk de-a lungul unui număr de ani și este dedicat unei prezentări sistematice a metodelor de construcție oficială a dispozitivelor cu tehnologie digitală pe microcircuite utilizate pe scară largă.

Disciplina „Ingineria circuitelor digitale” ar trebui considerată o continuare a cursului „Electronică”, pe care studenții trebuie să-l stăpânească în prealabil, deoarece sunt necesare cunoașterea bazei elementare a dispozitivelor electronice analogice.

Majoritatea sistemelor moderne de automatizare, sisteme de calcul, sisteme de transmitere și procesare a informațiilor sunt realizate pe dispozitive digitale, complet sau parțial. Prin urmare, cunoașterea principiilor utilizării dispozitivelor digitale și a sistemelor de construcție în diverse scopuri pe baza acestora este de importanță actuală și de mare valoare practică atât în ​​activitățile de inginerie, cât și în cercetarea metodologică.

Materialul din manual poate fi împărțit aproximativ în trei părți: 1) Fundamentele microelectronicii; 2) Dispozitive combinate de tehnologie digitală; 3) Dispozitive logice secvențiale ale tehnologiei digitale.

Când începeți să stăpâniți cursul, ar trebui să studiați materialul în ordinea în care sunt enumerate părțile specificate, deoarece materialul următor se bazează pe cunoașterea celui precedent, iar schimbarea secvenței poate duce la dificultăți în stăpânirea acestuia. Acest lucru este agravat și de faptul că alte manuale și literatura tehnică de specialitate folosesc termeni și concepte diferiți pentru a explica aceleași fenomene, procese, transformări efectuate etc. Diferența dintre conceptele utilizate sau incorectitudinea acestora duce la o înțelegere greșită a esenței materialului prezentat și, în consecință, la dificultăți în asimilarea acestuia.

Primele două dintre aceste secțiuni sunt incluse în prima parte a acestui manual (Partea 1). Un manual separat este dedicat celei de-a treia secțiuni.

ÎN 1.Aplicarea dispozitivelor digitale

În prezent, în legătură cu crearea și introducerea pe scară largă a dispozitivelor și sistemelor cu microprocesoare în practica ingineriei, interesul pentru metodele digitale de procesare și transmitere a informațiilor nu scade și este din nou stimulat. Aceste metode, la rândul lor, conferă sistemelor o serie de proprietăți și calități pozitive. Creste fidelitatea informatiilor transmise, se realizeaza viteza mare si productivitatea sistemelor de procesare a informatiilor, se asigura costul lor acceptabil, fiabilitate ridicata, consum redus de energie etc.

Problemele rezolvate de aceste sisteme sunt foarte diverse și predetermină funcțiile dispozitivelor care formează un sistem specific. Prin urmare, este recomandabil să luați în considerare dispozitivele și funcțiile acestora în lumina acelor sarcini care sunt rezolvate de sisteme și, în special, a acelor subsarcini care sunt efectuate de dispozitive sau blocuri individuale.

Principal sarcini tipice care apar în timpul gestiunii și controlului automat sau automat al producției sau al altor procese sunt:

Colectie informație (primirea acesteia);

transformare informații (scalare, normalizare, filtrare, codificare etc.);

transmisie-recepție informație;

prelucrare si utilizare informație;

depozitare informație.

În funcție de scopul propus și de funcțiile principale, există:

Sisteme automate (sau automatizate) de control și monitorizare.

Sisteme de transmitere a informațiilor.

Sisteme de procesare a informațiilor (sisteme de calcul).

Pentru a înțelege relația dintre aceste sarcini, locul și rolul dispozitivelor electronice digitale utilizate în aceste sisteme, să luăm în considerare diagramele structurale generalizate ale acestor sisteme și scopul funcțional al componentelor lor.

B1.1. Sisteme automate de control

Administra înseamnă a cunoaște starea (poziția) obiectului controlat și în conformitate cu un algoritm dat ( algoritm de control) influențează obiectul, încercând să elimine abaterile apărute.

Prin urmare, controlul în cazul general este asociat cu următoarele acțiuni:

obținerea de informații despre starea obiectului;

compararea informațiilor primite cu informațiile specificate despre starea obiectului;

generarea semnalelor de control (influențe);

influenţarea unui obiect pentru a-l aduce în starea cerută.

În conformitate cu acțiunile enumerate, sistemul de control automat (ACS) în cazul general ar trebui să includă un dispozitiv de măsurare a informațiilor, un dispozitiv de control și un actuator (Fig. B1).

Dispozitiv de informare și măsurare (AIU) primește informații despre obiectul de control (OU) și le preprocesează. Obținerea informațiilor constă în generarea de semnale primare, ale căror valori sunt proporționale cu valorile parametrilor care caracterizează starea amplificatorului operațional. Un obiect poate fi înțeles fie ca unitate de producție separată, fie ca proces de producție în ansamblu. Și sub parametri se află „coordonatele de ieșire” ale obiectului. Acestea ar putea fi, de exemplu, valori ale temperaturii, presiunii, consumului de material sau energie și altele asemenea. Deoarece majoritatea acestor parametri de coordonate sunt prezentați în formă analogică și sunt caracterizați printr-un set infinit de valori, semnalele trebuie să fie normalizate prin parametrii lor, scalate și să aibă o formă unificată.

Prin urmare, IMU trebuie să aibă traductoare și senzori de măsurare primari, convertoare analog-digitale și alte unități funcționale cu ajutorul cărora se realizează următoarele conversii:

valorile mărimilor fizice în semnale analogice unificate de curent continuu sau alternativ;

scalarea sau normalizarea semnalelor după nivel și formă;

conversia semnalelor analogice în semnale discrete (digitale);

codificarea semnalului și alte câteva transformări.

Semnalele despre valorile coordonatelor curente sunt trimise dispozitiv de control (UU). Funcțiile acestui dispozitiv includ compararea valorilor curente cu valorile de coordonate specificate și generarea de semnale de control (semnale de control) pe baza rezultatelor comparației. Valorile specificate pot fi introduse de un operator uman sau automat de software. În primul caz, un regulator automat sau mai multe regulatoare automate pot fi folosite ca unitate de control, ale căror setări sunt determinate și stabilite de o persoană. În cel de-al doilea caz, unitatea de control este o mașină de program mini sau microcalculator și rolul operatorului uman se reduce la intrarea în program și la pornirea inițială a sistemului.

Pentru a îndeplini aceste funcții, unitatea de control trebuie să efectueze operații aritmetice și logice pentru calcularea valorilor și compararea semnalelor, memorarea (stocarea) pe termen scurt și lung a semnalelor și generarea de semnale de control unificate. Acestea din urmă conțin informații pe baza cărora se formează în continuare influențe asupra obiectului de control (acțiuni de control), aducându-l la starea necesară.

Impactul direct al naturii fizice necesare se formează actuator (IU). El transformă semnalele de comandă, de exemplu, sub formă de tensiune de curent continuu sau pulsat, în viteza de rotație a unui motor actuator, în mișcarea mecanică a unei supape pe o linie de abur și așa mai departe. Pentru a efectua aceste conversii veți avea nevoie de: convertoare digital-analogice; convertoare de semnale electrice în semnale neelectrice; dispozitive de amplificare etc. În acest caz, pot fi necesare convertoare de cod de semnal digital sau forme de reprezentare a semnalului ca intermediare. De exemplu, codurile numerelor binare într-un număr proporțional de impulsuri, semnalele monofazate în cele polifazate, utilizate pentru controlul motoarelor pas cu pas etc.

Sub influența influențelor perturbatoare, obiectul își părăsește starea (modul) normală, iar ACS îl readuce în modul de funcționare (normal) necesar. Procesul de control are loc în timp real, adică la o viteză determinată de natura proceselor fizice. Dacă acțiunile de control sunt întârziate în timp sau excesiv, atunci poate apărea un mod instabil de funcționare a sistemului, în care coordonatele obiectului pot lua valori inacceptabile și fie obiectul însuși, fie dispozitivele individuale ale sistemului vor eșua și va apărea un mod de urgență. Prin urmare, în teoria pistoalelor autopropulsate principal sunt probleme de aprovizionareCustabilitate si control de precizie.

Majoritatea acestor transformări pot fi efectuate folosind dispozitive microelectronice digitale. O unitate de control este complet digitală atunci când este construită pe baza microcalculatoarelor de control sau pe microcircuite digitale.

Pe microcircuite digitale se folosesc senzori digitali de mărimi fizice, precum și convertoare de semnal parțial analog-digital și digital-analogic.

B1.2. Sisteme de transmitere a informațiilor (ITS)

Cu o creștere a distanței dintre IU și unitatea de control (Fig. B1), precum și între unitatea de control și unitatea de control, se pune problema transmiterii informaţiei. Necesitatea de a transmite informații pe distanțe semnificative apare nu numai în sistemele dezvoltate spațial de control și monitorizare automată, ci și în sisteme alții tipuri de comunicare(telegraf, telefon, telefax etc.). În plus, nevoia de a transmite informații apare în sistemele de calcul, sistemele de transmisie a datelor, sistemele telemecanice etc. Această sarcină este complicată de faptul că în procesul transmisii prin linii de comunicație parametrii sunt distorsionați semnale iar acest lucru, la rândul său, poate duce la denaturarea informațiilor și la scăderea acurateței acesteia (probabilitatea recepționării corecte a acesteia). Distorsiunea semnalelor se datorează interferențelor, apărând în liniile de comunicare. Interferența, de regulă, este de natură aleatorie și este posibil ca parametrii săi să nu difere de parametrii semnalelor. Prin urmare, sunt „capabili” să distorsioneze semnalele și chiar să „reproducă” informații transforma mesajul transmis. Ultimul eveniment cel mai nedorit în transferul de informații.

Pentru a asigura fidelitate ridicată și viteză maximă ( uhfeficienţă) sunt necesare transmisii de informații, conversii suplimentare de semnal și metode speciale de transmitere a acestora.

Astfel de transformări includ codificareși procedură inversă decodificarea informațiilor(și semnale). Codificareasunt procenteeprost transformând un mesaj într-un semnal. În acest caz, transformările sunt efectuate în funcție de anumite reguli totalitatea cărora apelTcod.

Codificarea informațiilor se realizează pe partea de transmisie, iar decodificarea pe partea de recepție. Distinge codare rezistentă la zgomot și eficientă. Ţintărezistent la zgomot codificare construi (sfoRedit) un semnal mai puțin susceptibil la interferență, dați-i aAo astfel de structură astfel încât erorile care apar în timpul procesului de transmisie pe partea de recepție să poată fi detectate sau corectate. Și, astfel, asigurați o fidelitate ridicată a transmisiei.

Ţintăefectiv codificare asigura viteza maximaOcreșterea transferului de informații, deoarece valoarea acestuia este în mare măsură determinată de cât de oportun este primită. Conform acestei cerințe, mesajul codificat trebuie să transporte cantitatea necesară de informații și, în același timp, să aibă o lungime minimă, astfel încât transmisia să dureze un timp minim.

Semnalele (și informațiile) sunt transmise prin canale de comunicatie. Legătură aceasta este o cale (cale) de transmitere independentă a semnalelor de la sursăhporecla destinatarului (destinatarului) corespunzător al informațiilor. Canalele de comunicație sunt formate prin mijloace tehnice ale echipamentelor de formare a canalelor și, la fel ca liniile de comunicație, sunt supuse interferențelor.

Una dintre principalele sarcini rezolvate în SPI este sarcina de a crea numărul necesar de canale de comunicare. Eficiența și imunitatea la zgomot a transmisiei este în mare măsură determinată de canalele de comunicare utilizate. Sub pomerezistența se referă la capacitatea unui sistem(semnal, cod) etcAbine făcutlîși îndeplinește funcțiile în prezența interferențelor.

De obicei, același sistem poate fi utilizat pentru a transmite informații din mai multe surse către un număr adecvat de receptori. Prin urmare, formarea numărului necesar de canale cu imunitatea necesară la zgomot este atribuită dispozitivului de comunicație. În acest caz, în dispozitivul de comunicare pot fi efectuate următoarele transformări: modulare și demodulare semnale; amplificarea celor transmise în linie și primite de pe linieȘiinstitut de cercetare comunicații de semnal; limitarea nivelului și a spectrului de frecvență semnale și altele.

În funcție de aria de utilizare (aplicație) a SPI, este nevoie de transformări suplimentare, cum ar fi conversia formei semnalelor, natura lor fizică, normalizarea parametrilor semnalelor primite din exterior și a semnalelor emise de sistem către dispozitive externe; stocarea temporară a semnalelor transmise în canalul de comunicație și emise de sistem.

Transformările enumerate predetermină compoziția funcțională a echipamentelor emitente și receptoare ale sistemelor de transmisie a informațiilor (Fig. B2).

După cum se poate vedea din diagramă, transmisia se realizează într-o singură direcție de la stânga la dreapta. Dispozitivul de intrare și conversie a informațiilor primare (IPID) convertește semnalele provenite din surse de informații în semnale „primare” unificate care nu pot fi transmise direct pe distanțe lungi. De obicei, aceste semnale unificate sunt tensiuni DC cu niveluri fixe. În blocul UVPI, semnalele primare sunt stocate pe durata transmisiei (într-un dispozitiv de memorie tampon), după care sunt șterse din memorie. Un dispozitiv de codare (CU) convertește semnalele primare în semnale codificate care au o anumită structură și format, permițându-le (semnalelor) să fie transmise pe distanțe lungi („telesemnale”). De regulă, acest dispozitiv este combinațional, deși în unele cazuri poate fi făcut și secvenţial (multiciclu). Operațiile logice și aritmetice ale procedurilor de codificare sunt implementate aici.

Scopul principal al dispozitivului de comunicare (Fig. B2) este de a crea sau organizarea canalelor de comunicare pe linia de comunicare furnizată. Linie de comunicare acesta este mediul material dintre emițătorul (Prd) și receptorul (Prm) al sistemului. Figura arată aproximativ o linie de comunicație electrică cu două fire. Cu toate acestea, pot fi utilizate legături radio și linii de comunicație prin fibră optică și altele. În funcție de tipul de linie, în Prd și Prm se efectuează diverse conversii de semnal pentru a-și armoniza parametrii și caracteristicile cu parametrii și caracteristicile liniei de comunicație și transformări care vizează imunitate crescută la zgomot semnale.

Pe partea de recepție, semnalele codificate primite de la linia de comunicație sunt din nou convertite de către dispozitivul de decodare (DCU) în semnale primare. În același timp, erorile sunt detectate și pot fi corectate în semnalele primite prin proceduri de decodare, asigurând astfel acuratețea necesară a transmiterii informațiilor. A convertoare de ieșire(VP) transformă aceste semnale primare într-o formă și formă (natura fizică) care poate fi percepută de destinatarii informațiilor.

Trebuie remarcat faptul că majoritatea „nodurilor” și „blocurilor” funcționale prezentate în Fig. B2 pot fi implementate pe cipuri digitale. Prin urmare, sistemele de transmitere a informațiilor sunt de obicei digitale.

B1.3. Sisteme de prelucrare a informațiilor

(sisteme de calcul)

Problemele tipice enumerate mai sus pot fi rezolvate și formalizate folosind metode matematice și logice. La rândul lor, aceste metode operează cu cele mai simple operații (aritmetice sau logice), a căror execuție asupra unor „date inițiale” produce un rezultat nou, necunoscut anterior. Această comunitate a metodelor de rezolvare a diferitelor probleme de procesare a informațiilor a făcut posibilă crearea unei clase separate de dispozitive și sisteme, al căror scop (inițial) a fost automatizarea procedurilor de calcul (calculatoare electronice). În stadiul actual de dezvoltare a tehnologiei informatice, calculatoarele s-au „transformat” în calculatoare, pe baza cărora sunt construite sisteme informatice moderne de procesare și transmitere a informațiilor. O diagramă bloc generalizată a unui anumit sistem de calcul este prezentată în Fig. B3.

Datele sunt prelucrate anterior prin dispozitiv de intrare UVV Vino la Dispozitiv de memorie memorie, unde sunt stocate pe toată durata procesării. Programul de procesare a informațiilor primite este de asemenea stocat în aceeași memorie.

Programul de funcționare a sistemului, precum și „datele”, sunt stocate într-un dispozitiv de stocare sub formă de numere binare pe mai mulți biți scrise în celulele de memorie la adrese specifice (adresele celulelor de memorie). Numerele binare, a căror totalitate reprezintă un program de prelucrare a datelor, sunt structurate într-un anumit număr de părți, fiecare având un scop specific. În cel mai simplu caz, există următoarele părți: 1) codul operației care trebuie efectuată pe două numere binare care reprezintă valorile „date” și se numesc „operanzi”; 2) adresa primului operand; 3) adresa celui de-al doilea operand. Combinația acestor părți formează o „echipă”.

Munca unui computer constă în executarea secvenţială a comenzilor date de program. Coordonează activitatea tuturor blocurilor în timp și le gestionează dispozitiv de control UU. Și realizează direct operații (acțiuni) logice și aritmetice asupra operanzilor aritmeticȘidispozitiv co-logic ALU, care, pe baza unui semnal de la unitatea de control „cod de operare”, este configurat de fiecare dată pentru a efectua o anumită operație.

Dispozitivul de control decriptează comanda primită din memorie (Fig. B3 „următoarea comandă”), trimite codul de operare către ALU și se pregătește pentru a efectua operația corespunzătoare. Apoi generează semnale de eșantionare din memoria operanzilor (vezi semnalul „Adrese de date”) și determină adresa următoarei comenzi care ar trebui să fie executată la următorul ciclu al computerului („Adresa de comandă următoare”). Pe baza semnalelor de la unitatea de control, operanzii sunt citiți din memorie, iar ALU efectuează acțiunile necesare. În acest caz, se formează un rezultat intermediar („Rezultatul operației”), care salvează și memoria. În funcție de rezultatul operațiunii, poate fi necesară modificarea secvenței de execuție a comenzii sau oprirea procesării datelor sau afișarea mesajelor de eroare către operator. În acest scop, semnalul „Semn rezultat” este trimis de la ALU către unitatea de control. Procesul de prelucrare a datelor (informațiilor) introduse continuă până când este preluată comanda „Sfârșitul calculelor” sau operatorul, la propria discreție, oprește procesul de prelucrare a datelor.

Rezultatul procesării rezultat este, de asemenea, stocat în memorie și poate fi scos prin intermediul dispozitiv de ieșire Vai la sfârșitul procesului de prelucrare sau în timpul procesului, dacă este prevăzut de program.

Pentru „comunicarea” între operator și computer sunt prevăzute dispozitive terminale ACEA, destinat operatorului să introducă comenzi și alte mesaje și să transmită „mesaje” operatorului de pe computer.

Fig. B3 nu prezintă conexiunile dispozitivului de control, care asigură sincronizarea funcționării tuturor componentelor computerului. Săgețile largi indică posibilitatea transmiterii în paralel a datelor (transmiterea simultană a tuturor cifrelor numerelor binare pe mai mulți biți).

Aproape toate blocurile prezentate în Fig. B3 (cu excepția dispozitivelor terminale) pot fi implementate complet numai pe circuite integrate digitale (CI). În special, unitatea de control, ALU și o parte din memorie (memoria de înregistrare SRAM) pot fi realizate sub forma unui singur IC cu un grad ridicat de integrare. Se formează setul numit de blocuri microprocesor un procesor central de calculator realizat folosind tehnologie integrată pe un singur cip semiconductor.

Dispozitivele de intrare și de ieșire a datelor, de regulă, constau din registre de stocare tampon care servesc pentru stocarea temporară a datelor de intrare și respectiv de ieșire și pentru coordonarea sistemului cu dispozitivele externe.

Dispozitivul de stocare (SRAM) este de obicei împărțit în două părți: memorie cu acces aleatoriu (RAM) și memorie permanentă. Primul servește la stocarea rezultatelor intermediare ale calculelor, „conținutul” acestuia se schimbă constant în timpul procesării datelor. RAM funcționează în modurile de „citire” și „scriere” a datelor. Iar a doua, memoria de doar citire (ROM), este folosită pentru a stoca subrutine standard și unele subrutine de sistem (serviciu) care controlează procesele de pornire și oprire a computerului. În mod obișnuit, ROM-ul este implementat pe ROM IC programabil în câmp (FPROM), fie ROM IC preprogramată din fabrică, fie ROM reprogramabilă de utilizator (RePROM). De obicei, acestea sunt dispozitive de stocare nevolatile în care informațiile înregistrate nu sunt „distruse” chiar și atunci când sunt deconectate de la sursa de alimentare.

ALU include un IC cu același nume care efectuează operații logice și aritmetice cu numere binare, elemente logice și o serie de alte unități funcționale care servesc la compararea numerelor, comparatoare digitale, pentru a crește viteza operațiilor aritmetice efectuate, de exemplu, „ unități de transfer rapid”, etc.

Unitatea de control include dispozitive temporizatoare care setează frecvența de ceas a sistemului și, în cele din urmă, determină performanța acestuia, decodoare de coduri de comandă, matrice logice programabile, registre, unități de control al microprogramelor, precum și „porturi” de intrare/ieșire.

Toate unitățile funcționale enumerate sunt implementate sub formă de dispozitive digitale integrate.

Principalele probleme sistemele de calcul, în primul rând, le îmbunătățesc productivitate(performanţă). Și în al doilea rând, asigurarea funcționării sistemelor in timp real.

Prima problemă este de natură la nivelul întregului sistem și este rezolvată prin utilizarea unei noi elemente de bază și a metodelor speciale de procesare a informațiilor.

A doua problemă apare atunci când se utilizează sisteme de calcul pentru a controla procesele de producție și este aceea că viteza de producție și procesele de calcul trebuie coordonate. Într-adevăr, funcționarea unui sistem informatic (CS) are loc în așa-numitul timp „mașină”, când un anumit interval de timp fix și indivizibil, numit „ciclu de lucru” al unui computer sau computer, este luat ca unitate de timp. , în timp ce procesele fizice reale, de exemplu procesele tehnologice, au loc în timp real, măsurate în secunde, fracțiuni de secundă, ore etc. Pentru a face posibilă utilizarea computerelor, este necesar ca viteza de procesare a informațiilor să nu fie mai mică decât viteza proceselor fizice reale. Soluția la această problemă se realizează prin organizarea unor metode speciale de schimb de informații (date) ale computerului de control cu ​​dispozitive periferice și prin utilizarea unor așa-numite inteRcircuite și dispozitive de față. Funcțiile circuitelor de interfață includ:

determinarea adresei unui dispozitiv extern care necesită schimb de informații cu procesorul sau cu dispozitivul de stocare a sistemului;

generarea semnalelor de întrerupere pentru procesorul BC și inițializarea tranziției la programul de service pentru obiectul care a solicitat întreruperea. Acest lucru se realizează conform unui special sistem de priorități;

implementarea de cozi pentru deservirea dispozitivelor externe;

coordonarea parametrilor și sincronizarea semnalelor de schimb etc.

Datorită progreselor moderne în domeniul tehnologiei integrate în fabricarea dispozitivelor microelectronice, crearea de microcalculatoare și computere caracterizate prin dimensiuni reduse, consum redus de energie și costuri rezonabile, a devenit posibilă utilizarea lor ca parte a sistemelor pentru o mare varietate. a scopurilor. În același timp, aceste sisteme capătă noi calități și devin multifuncționale cu posibilitatea unei tranziții flexibile de la un mod de operare la altul prin simpla schimbare a configurației sistemului. La rândul lor, aceste avantaje deschid noi perspective pentru utilizarea sistemelor informatice într-o mare varietate de domenii ale activității umane: în știință, medicină, educație și formare, și cu atât mai mult în tehnologie.

De exemplu, comunicațiile telefonice erau efectuate în mod tradițional de dispozitive analogice, unde vorbirea umană era transmisă (prin fire) prin semnale sub formă de curenți alternativi de frecvențe audio. Acum a existat o tranziție intensivă către comunicațiile telefonice digitale, în care semnalele analogice (de la un microfon) sunt convertite în cele digitale, transmise pe distanțe mari fără distorsiuni semnificative. Pe partea de recepție, aceste semnale digitale sunt din nou convertite în analog și livrate la telefon. Trecerea la comunicațiile digitale face posibilă îmbunătățirea calității transmisiei vocale în plus, rețeaua telefonică poate fi utilizată pentru alte servicii: alarma de securitate; alarma de incendiu; pentru „conferință telefonică” a mai multor abonați și așa mai departe.

LA 2. Evaluarea comparativă a dispozitivelor digitale și analogice

tehnologie microelectronică

Când decideți asupra construcției sau proiectării oricărui dispozitiv, trebuie mai întâi să vă decideți asupra direcției de proiectare, cum va fi dispozitivul? Analogic sau discret(digital)? La rândul său, această decizie poate fi luată cunoscând avantajele și dezavantajele ambelor dispozitive. Să definim mai întâi conceptele de dispozitive „analogice” și „digitale”.

Analogic aceasta se numeste dispozitiv, în care toate semnalele de intrare, de ieșire și intermediare (interne) sunt continue, descrise de funcții matematice continue. Aceste semnale sunt caracterizate de un set infinit de valori în nivel (stări) și sunt continue în timp, deși intervalul de modificări ale valorilor unui semnal continuu este limitat. Prin urmare, astfel de dispozitive sunt uneori numite amenajatthstvami neacțiune intermitentă.

Dispozitive discrete sau dispozitive acțiune discretăTViya sunt cele ale căror semnale de intrare, ieșire și intermediare sunt caracterizate de un set numărabil de valori în nivel și existență în anumite intervale de timp. Astfel de semnale pot fi afișate într-unul sau altul sistem numeric pozițional (cu numerele corespunzătoare). De exemplu, în sistemul numeric zecimal sau în sistemul numeric binar. Reprezentarea binară a semnalelor și-a găsit cea mai mare aplicație în tehnologie și în logica formală în calculul enunțurilor și în tragerea de concluzii din mai multe premise. Prin urmare, sunt numite dispozitive discrete logic(similar logicii binare formale) sau digital, ținând cont de posibilitatea de a le descrie folosind numere ale sistemului numeric pozițional.

Dezavantajele mijloacelor tehnice analogice

Prezența „deriva” și „zgomot”. În derivă aceasta este o schimbare lentă a semnalului, datorită naturii discrete a fenomenelor, în raport cu valoarea lui dată. De exemplu, pentru semnalele electrice, natura discretă a fluxului de curent electric este determinată de electroni și „găuri”, care sunt purtători de sarcini electrice. Zgomote acestea sunt modificări aleatorii ale semnalului cauzate de factori externi sau interni, de exemplu, temperatura, presiunea, puterea câmpului magnetic al Pământului etc.

Dificultăți metodologice în definirea conceptelor de „egalitatea la zero” și „egalitatea semnalelor analogice”. Și, în consecință, existența problemei „asigurării preciziei (erorii) specificate” a transformărilor și transmiterii semnalului.

Posibilitatea apariției unor moduri de funcționare instabile și existența problemei „asigurării stabilității” funcționării sistemelor și dispozitivelor. Un mod instabil se caracterizează prin apariția într-un dispozitiv sau sistem de oscilații neamortizate în schimbarea anumitor semnale. În electronică, acest fenomen este utilizat pe scară largă în construcția generatoarelor de impulsuri și a generatoarelor de oscilații armonice.

Dificultăți tehnice în implementarea dispozitivelor de stocare și a dispozitivelor de întârziere pentru semnale analogice.

Nivel insuficient de integrare a elementelor analogice și versatilitatea acestora.

Gama de transmisie relativ scurtă a semnalelor analogice datorită disipării energiei în liniile de comunicație.

Consum relativ mare de energie, deoarece elementele analogice operează în secțiunile liniare ale caracteristicilor lor tranzitorii și „consumă” energie în stările inițiale (inițiale).

Avantajele mijloacelor tehnice analogice

Adecvarea afișării proceselor și modelelor fizice: ambele sunt descrise prin dependențe continue. Acest lucru ne permite să simplificăm semnificativ soluțiile tehnice fundamentale ale dispozitivelor și sistemelor analogice.

Eficiență și ușurință în schimbarea modurilor de funcționare: de multe ori este suficient să schimbați rezistența unui rezistor sau capacitatea unui condensator, astfel încât un mod instabil să se schimbe într-unul stabil sau pentru a asigura un anumit proces tranzitoriu în dispozitiv.

Nu este nevoie să convertiți valori analogice în valori discrete. Aceste transformări sunt însoțite de erori și de o anumită pierdere de timp.

Avantajele tehnologiei digitale

Posibilitatea controlului programului, care mărește flexibilitatea modificării structurii și a algoritmului de operare al sistemelor, face posibilă simplificarea implementării legilor de control adaptiv.

Ușurința de a asigura fiabilitatea specificată, acuratețea și imunitatea la zgomot a sistemelor.

Ușurința asigurării compatibilității dispozitivelor cu dispozitivele digitale de procesare a informațiilor (calculatoare, calculatoare).

Grad ridicat de integrare constructivă și funcțională, versatilitate cu capacitatea de a construi sisteme conform soluțiilor standard de proiectare. La rândul său, acest lucru vă permite să reduceți costurile de producție și operare a sistemelor și dispozitivelor.

Capacitatea de a proiecta folosind metode logice formale, care vă permite să reduceți timpul de proiectare al dispozitivelor și face posibilă modificarea funcțiilor dispozitivelor (și sistemelor bazate pe acestea) prin metode de construcție agregată în timpul funcționării.

Dezavantajele tehnologiei digitale

Necesitatea de a converti semnalele analogice în unele discrete. Aceste transformări sunt însoțite de erori și întârzieri.

Dificultatea relativă a schimbării modurilor de operare. Pentru a face acest lucru, este necesar să schimbați structura sistemului sau algoritmul funcționării acestuia.

Complexitatea proceselor de analiză a funcționării sistemelor, atât la verificarea corectitudinii funcționării acestora, cât și la căutarea defecțiunilor apărute. Dispozitivele digitale se caracterizează printr-o mare complexitate funcțională, ceea ce necesită dispozitive speciale de „diagnostic”, care sunt studiate într-un domeniu special de tehnologie numit tehnic dȘiagnostȘiwhoa.

Cerințe crescute pentru cultura de producție și cultura de întreținere a echipamentelor digitale. La rândul său, acest lucru stimulează nevoia de îmbunătățire a calificărilor personalului de serviciu și impune ca acesta să fie înalt calificat.

O analiză comparativă a avantajelor și dezavantajelor enumerate oferă concluzie în favoarea mijloace tehnice tehnologie digitala. Prin urmare, în prezent, dispozitivele digitale sunt introduse pe scară largă în domenii aparent tradiționale ale tehnologiei analogice: televiziunea, comunicațiile telefonice, tehnologia de înregistrare a sunetului, tehnologia radio și sistemele automate de control și reglare.

1. Fundamentele tehnologiei microelectronice

1.1. Concepte de bază și definiții

Microelectronica principalul domeniu al electronicii, care studiază problemele de proiectare, cercetare, creare și aplicare a dispozitivelor electronice cu un grad ridicat de funcţionalȘi constructeVNoah integrare.

Produs microelectronic, implementat prin intermediul tehnologiei integrate și care îndeplinește o funcție specifică de conversie și procesare a semnalelor, se numește circuit integrat(IC) sau pur și simplu integralăbnoua schema(ESTE).

Dispozitiv microelectronic un set de circuite integrate interconectate care îndeplinesc o funcție completă, destul de complexă (sau mai multe funcții) pentru procesarea și conversia semnalelor. Un dispozitiv microelectronic poate fi proiectat structural sub forma unui singur microcircuit sau pe mai multe circuite integrate.

Sub integrare funcționalăînțelege o creștere a numărului de funcții implementate (realizate) de un anumit dispozitiv. În acest caz, dispozitivul este considerat ca un întreg, indivizibil. A int constructivegraţie este o creștere a numărului de componente dintr-un dispozitiv, considerat ca un întreg. Un exemplu de dispozitiv microelectronic cu un grad ridicat de integrare structurală și funcțională este miLaroprocesor(vezi mai sus), care, de regulă, se realizează sub forma unui IC „mare”.

Proiectarea circuitelor face parte din microelectronică, al cărei subiect este metode de construcție dispozitive pentru diverse scopuri la microOscheme de aplicare largă. Subiectul proiectarea circuitelor digitale sunt metode pentru construirea (proiectarea) dispozitivelor folosind numai circuite integrate digitale.

Caracteristicile circuitelor digitale este utilizat pe scară largă pentru a descrie procesele de funcționare ale dispozitivelor formal sau limbaje naturale formaleși pe baza lor metode de proiectare formalizate. Limbile formale sunt algebră booleană(algebră logică, algebră Boole) și limbajul funcțiilor logice „automate”. algebra stărilor și evenimentelor. Datorită utilizării metodelor formalizate, se realizează multivariantaîn rezolvarea problemelor aplicate, devine posibil alegerea optimă a soluțiilor de circuit după unul sau altul criteriu.

Metode formale sunt caracterizate de un nivel ridicat de abstractizare, neglijarea proprietăților particulare ale obiectului descris. Atenția este concentrată doar asupra tiparelor generale în relațiile reciproce dintre componentele obiectului și părțile sale constitutive. Astfel de „regularități”, de exemplu, includ regulile operațiilor aritmetice din algebra numerelor (reguli de adunare, scădere, înmulțire, împărțire). În același timp, ei sunt distrași de la semnificația numerelor (fie că este vorba de numărul de mere, sau de tabele etc.). Aceste reguli sunt strict formalizate și regulile de obținere a expresiilor aritmetice complexe, precum și procedurile de calcul a unor astfel de expresii. În astfel de cazuri se spune, formale sunt și sinaceaLasoraȘi gramatica limbajului descrieri.

În limbile naturale formale, sintaxa este formalizată, iar gramatica (reguli pentru construirea expresiilor complexe) este supusă gramaticii unei limbi naturale, de exemplu, rusă sau engleză. Exemple de astfel de limbi sunt diverse limbaje de descriere tabelare. În special, baza teoretică pentru descrierea dispozitivelor digitale este „Teoria automatelor finite” sau „Teoria dispozitivelor releu și a automatelor finite”.

1.2. Clasificarea dispozitivelor microelectronice

Întreaga varietate de dispozitive microelectronice (MED) poate fi clasificată în funcție de diferite criterii:

prin principiul și natura acțiunii;

după scopul funcțional și funcțiile îndeplinite;

prin tehnologia de fabricație;

după domeniul de aplicare;

conform designului și caracteristicilor tehnice și așa mai departe.

Să luăm acum în considerare mai detaliat împărțirea MEU în funcție de criteriile de clasificare.

Conform principiului(caracter) actiuni toate MEU sunt împărțite în roAvizuini și digitală. Conceptele de dispozitive analogice și discrete, inclusiv cele digitale, au fost deja prezentate mai sus. Aici observăm că dacă în dispozitivele discrete toate semnalele iau doar două valori condiționale de zero logic (log.0) și una logică (log.1), atunci dispozitivele sunt numite logic. De regulă, toate dispozitivele digitale sunt clasificate ca dispozitive logice.

În funcție de funcțiile îndeplinite (scopul funcțional), se disting următoarele dispozitive microelectronice:

I. Analogic

1.1. Dispozitive de amplificare (amplificatoare).

1.2. Convertoare funcționale care efectuează operații matematice pe semnale analogice (de exemplu, integrare, diferențiere etc.).

1.3. Traductoare de măsurare și senzori de mărimi fizice.

1.4. Modulatoare și demodulatoare, filtre, mixere și generatoare de armonice.

1.5. Dispozitive de stocare.

1.6. Stabilizatori de tensiune și curent.

1.7. Circuite integrate pentru scopuri speciale (de exemplu, pentru procesarea semnalelor radio și video, comparatoare, comutatoare etc.).

II. MEA digitale

2.1. Elemente logice.

2.2. Codificatoare, descifratoare de cod și convertoare de cod.

2.3. Elemente de memorie (declanșatoare).

2.4. Dispozitive de stocare (RAM, ROM, PROM, PLM etc.).

2.5. Dispozitive aritmetico-logice.

2.6. Selectoare, modelatori și generatoare de impulsuri.

2.7. Dispozitive de numărare (contoare de impulsuri).

2.8. Comparatoare digitale, comutatoare de semnal discrete.

2.9. Registrele.

2.10. Microcircuite cu destinație specială (de exemplu, cronometre, kituri IC cu microprocesor etc.).

Clasificarea de mai sus este departe de a fi exhaustivă, dar ne permite să concluzionam că gama de dispozitive digitale este mult mai largă decât gama de MEA analogice.

Pe lângă cele enumerate, există microcircuite de convertizor de nivel de semnal, de exemplu declanșatoarele Schmitt, în care semnalele de intrare sunt analogice, iar semnalele de ieșire sunt discrete, binare. Astfel de microcircuite ocupă o poziție intermediară. În mod similar, microcircuitele convertoarelor analog-digital și digital-analogic (ADC și DAC), comutatoare de semnal analogic controlate de semnale discrete ar trebui clasificate ca MEA „intermediare”.

În funcție de numărul de funcții implementate, acestea se disting unuOfuncţional(simplu) și multifuncțional(complex) MEU. În dispozitivele multifuncționale, funcțiile pot fi efectuate simultan sau secvenţial la timp. În funcție de aceasta, în primul caz, dispozitivele sunt numite dispozitive de acțiune „paralelă”, iar în al doilea caz, dispozitive de acțiune secvențială sau „secvențială”. Dacă un dispozitiv multifuncțional este configurat să îndeplinească o anumită funcție prin comutarea intrărilor (reconectarea fizică a circuitelor electrice), atunci un astfel de dispozitiv se numește dispozitiv cu „ logica grea" muncă. Și dacă modificările funcțiilor efectuate sunt efectuate folosind semnale externe suplimentare (la așa-numitele intrări de control), atunci astfel de MEA ar trebui clasificate drept „controlate de software”. De exemplu, circuitele integrate de unitate aritmetică logică (ALU) pot implementa operații aritmetice sau logice cu doi numere binare pe mai mulți biți. Și setarea pentru a efectua operații aritmetice (sau logice) este efectuată de un semnal extern suplimentar, în funcție de valoarea căreia se vor efectua acțiunile dorite. Prin urmare, ALU-urile ar trebui clasificate ca MEU controlate de software.

Conform tehnologiei de fabricație toate circuitele integrate sunt împărțite în:

Semiconductor;

Film;

Hibrid.

ÎN semiconductor IC toate componentele și conexiunile sunt realizate în volum și pe suprafața cristalului semiconductor. Aceste CI sunt împărțite în bȘipolar microcircuite (cu polaritate fixă ​​a tensiunilor de alimentare) și pornit unipolar cu capacitatea de a schimba polaritatea tensiunii de alimentare. În funcție de designul circuitului „conținutului intern”, microcircuitele bipolare sunt împărțite în următoarele tipuri:

Logica tranzistor-tranzistor TTL;

Logica tranzistor-tranzistor TTLsh cu tranzistori și diode Schottky;

Logica cuplată emițător ESL;

Logica de injecție I2L și altele.

Microcircuitele de tehnologie unipolară sunt realizate pe tranzistoare MOS („metal-dielectric-semiconductor”) sau pe tranzistoare MOS („metal-oxide-semiconductor”) sau pe tranzistoare CMOS („metal-oxid-semiconductor”).

ÎN film Într-un circuit integrat, toate componentele și conexiunile sunt realizate numai pe suprafața cristalului semiconductor. Distinge film subtire(cu grosimea stratului mai mică de 1 micron) și peliculă groasă cu o grosime de peliculă mai mare de un micron. Circuitele integrate cu peliculă subțire sunt fabricate folosind depunerea în vid termic și pulverizarea catodică, în timp ce circuitele integrate cu peliculă groasă sunt fabricate folosind imprimare serigrafică, urmată de ardere în aditivi.

Hibrid Circuitele integrate constau din componente „simple” și „complexe” situate pe același substrat. Chipurile IC semiconductoare sau cu film sunt de obicei utilizate ca componente complexe. Cele simple includ componente electronice discrete (tranzistoare, diode, condensatoare, inductori etc.). Toate aceste componente sunt amplasate structural pe același substrat și pe acesta se realizează și conexiunile electrice între ele. Mai mult, un substrat cu componentele situate pe el formează un „strat” al unui IC hibrid. Distinge un singur stratȘi multistrat circuite integrate hibride. CI hibrid multistrat este capabil să îndeplinească funcții de procesare a semnalului destul de complexe. Un astfel de microcircuit este echivalent în acțiune cu un „microbloc” de dispozitive sau, dacă este destinat utilizării independente, cu acțiunea unui bloc „întreg”.

În plus, orice microcircuite sunt evaluate cantitativ spectacolAtelecom al lor dificultăți. Ca un astfel de indicator, „ grad integrare» k, egal cu logaritmul zecimal al cantității totale N componente plasate pe un cip semiconductor, adică

k = lq N. (1)

În conformitate cu formula (1), toate microcircuitele sunt împărțite în microcircuite de gradul 1, 2, 3 și așa mai departe de integrare. Gradul de integrare caracterizează doar indirect complexitatea microcircuitelor, deoarece ia în considerare doar constructiv integrare. De fapt, complexitatea microcircuitului depinde și de numărul de conexiuni reciproce dintre componente.

În practica inginerească, o caracteristică calitativă a complexității microcircuitelor este utilizată în conceptele de IC „mic”, „mediu”, „mare” și „ultra-mari”.

Tabelul 1.1 oferă informații despre corespondența reciprocă a măsurilor calitative și cantitative ale complexității SI după tipurile lor.

Tabelul 1.1

nume IP		Tehnologia de fabricație	Numărul de componente pe cip	Gradul de integrare k
Mic (MIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analogic	Bipolar
Medie (SIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analogic	Bipolar
		Unipolar
Mare (BIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analogic	Bipolar
		Unipolar
Extra Large (VLSI)	Digital	Bipolar
		Unipolar	Mai mult de 10000
	Analogic	Bipolar
		Unipolar

Din analiza tabelului 1.1 rezultă că, în comparație cu circuitele integrate digitale, microcircuitele analogice cu aceleași grade de integrare au componente de peste trei ori mai puține în compoziția lor (pe un cip semiconductor). Acest lucru se datorează faptului că componentele active (tranzistoarele) ale unui cip analogic funcționează în mod liniar și disipă mai multă energie. Necesitatea de a elimina căldura generată de disiparea energiei limitează numărul de componente plasate pe un singur cip. În microcircuitele digitale, componentele active funcționează în modul de comutare (tranzistoarele sunt fie blocate, fie deschise și în modul de saturație). În acest caz, puterea disipată este neglijabilă și cantitatea de căldură generată este de asemenea neglijabilă și, prin urmare, numărul de componente de pe cip poate fi plasat mai mult. (Dimensiunile cristalelor sunt standardizate și limitate.) Cu tehnologia unipolară, volumul cristalului ocupat de un tranzistor cu efect de câmp este de aproximativ trei ori mai mic decât volumul ocupat de un tranzistor bipolar ( n- p- n sau p- n- p tip). Acest lucru explică faptul că mai multe componente active pot fi plasate pe un cip de dimensiuni standard într-un microcircuit unipolar.

De proiectaÎn funcție de complexitatea funcțională, dispozitivele microelectronice sunt împărțite în:

la microcircuite simple (IC);

pentru microansambluri;

la microblocuri.

IC produs microelectronic fabricat în tehnologie unificatăOciclul logic, potrivit pentru utilizare independentă sau ca parte a unor produse mai complexe (inclusiv microansambluri și microblocuri). Microcircuitele pot fi neîncadrate și au o carcasă individuală care protejează cristalul de influențele externe.

Microasamblare un produs microelectronic care îndeplinește o funcție (funcții) destul de complexă și este format din componente electrice și radio și microcircuite, fabricate în scopul miniaturizării echipamentelor electronice. În esență, cipurile hibride sunt microansambluri. Cel mai simplu microansamblu poate fi, de exemplu, un set de microrezistoare realizate pe un cristal semiconductor și găzduite într-un singur pachet (precum un microcircuit).

Microbloc este, de asemenea, un produs microelectronic, constă din componente electrice și radio și circuite integrate și îndeplinește o (funcții) complexă(e).

De regulă, microansamblurile și microblocurile sunt fabricate în diferite cicluri tehnologice și, probabil, în diferite fabrici de producție.

La fel de caracteristici tehnice de clasificare folosit de obicei consumul de energie(un cip) și rapidthefect.

De consumul de energie toate circuitele integrate pot fi împărțite în: A) microOputernic(Mai putin decât 10 mW); b) de putere redusă(nu mai mult de 100 mW); V) putere medie(până la 500 mW) Și G) puternic(mai mult de sau = 0,5 W).

De viteză(întârzieri maxime pentru propagarea semnalului prin IC), microcircuitele sunt împărțite condiționat în: A) ultra-rapid cu frecvență de tăiere f g comutări peste 100 MHz; b) cu acțiune rapidă ( f g de la 50 MHz pana la 100 MHz); V) viteza normala ( f gr de la 10 MHz pana la 50 MHz). În acest caz, întârzierile de propagare sunt de ordinul a câteva nanosecunde (10-9 Cu.) până la 0,1 microsecunde (1s =10-6 Cu.).

Dispozitive microelectronice digitale, inclusiv microcircuite și altele dispozitive cu acțiune discretă, convenabil de clasificat De X A natura dependenței semnale de ieșire de la semnalele de intrare. După cum este obișnuit în teoria mașinilor cu stări finite. În conformitate cu această caracteristică, toate dispozitivele sunt de obicei împărțite în combinaționalăȘi secvenţial.

ÎN dispozitive combinate valorile semnalelor de ieșire în orice moment în timp sunt determinate în mod unic de valorile semnalelor de intrare în același moment în timp. Prin urmare, putem presupune că funcționarea unor astfel de dispozitive nu depinde de timp. Ele sunt denumite și „fără” dispozitive memorie», un singur ciclu dispozitive sau dispozitive cu un singur ciclu. În teoria mașinilor cu stări finite, dispozitivele combinaționale sunt numite „mașini cu stări finite primitive”.

ÎN dispozitive seriale valorile semnalelor de ieșire (semnale de ieșire) depind de valorile semnalelor de intrare nu numai la momentul considerat, ci și de valorile semnalelor de intrare în momentele anterioare. Prin urmare, astfel de dispozitive sunt numite dispozitive cu „ memorie», multiciclu dispozitive, dar în teoria mașinilor cu stări finite, pur și simplu? mașină cu stări finite(nu banal).

Când se are în vedere materialul educațional, pe viitor, pt principal hai sa-l luam pe acesta clasificare, deoarece metode de construcție(sinteză) și procesele de funcționare ale dispozitivelor numite semnificativ diferiteASunt.

În încheierea prezentării problemelor de clasificare, observăm că lista dată de caracteristici de clasificare și lista denumirilor produselor microelectronice (cipuri) este departe de a fi exhaustivă. În viitor, după caz, vom adăuga la această listă.

1.3. Elemente logice

Elemente logice aparțin celor mai simple „dispozitive” combinaționale, având o ieșire și una sau două intrări. Și-au primit numele pentru că funcționarea lor poate fi descrisă pe deplin funcții logiceși în special funcții booleene.

Ca și în logica formală, toate afirmațiile pot fi adevărate sau false, iar funcțiile logice pot lua doar două valori condiționate: una logică (log.1) „adevărat” și zero logic (log.0) „fals”.

La descrierea funcționării elementelor logice semnale de ieșire pune în corespondență unu-la-unu funcții, A semnale de intrare argumente aceste funcții. Astfel, atât funcțiile, cât și argumentele funcției, precum și semnalele de intrare și de ieșire ale porților logice, sunt binare. Dacă neglijăm timpul real de tranziție a unui element logic de la o stare (state log.1) la alta (state log.0), atunci nici argumentele și nici funcțiile nu vor depinde de factorul timp al variabilei timp. Sunt luate în considerare regulile de obținere și conversie a expresiilor logice algebra logicii sau boolean algebră.

Funcții logice de bază în algebra logicii este general acceptat funcții de doi argumente. Li se dau nume, sunt introduse simboluri logice pentru a desemna operațiile logice corespunzătoare atunci când sunt scrise în formă algebrică, iar aceste simboluri sunt folosite și în simbolurile grafice (GSD) ale elementelor logice din documentația circuitului.

Înainte de a analiza în mod direct tipurile de elemente logice, să luăm în considerare mai întâi problema generală a sistemului de notație pentru microcircuite care conțin elemente logice. Asemenea microcircuite îi aparțin microshemame cu grad scăzut de integrare.

1.3.1. Sistem de desemnări alfanumerice convenționale ale elementelor logice IC

În literatura tehnică internă, precum și la marcarea circuitelor integrate produse pe plan intern, în timpul fabricării lor la fabricile de producție, este adoptată o formă de 4 elemente a denumirilor de microcircuite (Fig. 1.1).

Primul elementîn notaţie este număr , care indică grupa de proiectare și execuție tehnologică a IP. Această cifră poate lua următoarele valori:

1, 5, 6, 7 corespund circuitelor integrate semiconductoare. Mai mult, numărul 7 este folosit pentru a desemna numai circuitele integrate neambalate;

2, 4, 8 sunt microcircuite hibride;

Alte 3 microcircuite, inclusiv cele de film.

Primul element al denumirii poate fi precedat de o literă sau două litere (ale alfabetului rus), acestea nu sunt necesare, dar indică tipul și materialul carcasei microcircuitului și posibilitățile de aplicare a acestuia. De exemplu, scrisoarea LA reprezintă microcircuite aplicare largă V plastic caz de primul tip. Există microcircuite pentru aplicații speciale, de exemplu, pentru dispozitive operate în climat tropical.

Al doilea element 2 sau 3 cifre, ele indică ordinal număr serie microcircuite Întregul set de microcircuite produse de industria autohtonă este împărțit în serie. Serie Un IC este un set de circuite integrate cu un singur design și design tehnologic care îndeplinesc diverse funcții și sunt destinate utilizării în comun.

Al treilea element în desemnare sunt doi ruși scrisori, dintre care prima desemnează un subgrup al CI după scopul funcțional, iar a doua literă corespunde tipului de CI și prin scopul funcțional al microcircuitului. De exemplu, prima literă L„spune” că acesta este un IC de poartă logică (subgrup logici), a doua litera A corespunde elementelor logice ale formei SI NU. Tabelul 1.2 prezintă cele mai comune coduri de litere ale tipurilor de IS în funcție de funcțiile îndeplinite.

Și în sfârșit, a 4-a elepoliţistîn denumirile microcircuitelor sunt unu sau Două numere , indicând numărul condiționat al microcircuitului din seria în cauză. Astfel, exemplul de desemnare prezentat în Fig. 1.1 corespunde desemnării unui microcircuit semiconductor din seria K155, utilizat pe scară largă, într-o carcasă din plastic de primul tip. Este format din 4 elemente logice cu două intrări de tip AND-NOT (2AND-NOT).

De obicei, cel de-al patrulea element din denumirea IC „criptează” numărul de serie al modificării elementelor de același tip, care diferă în numărul de intrări și metoda de „organizare” a ieșirii.

În plus față de simbolurile de mai sus, conform GOST 2.743-91 „Simboluri grafice convenționale în circuitele electrice. Elemente de tehnologie digitală”, alte coduri din două litere sunt folosite pentru a indica scopul funcțional al microcircuitelor, de exemplu: decodore-demultiplexoare ID, decodoare, registre IR, comutatoare CP de semnale discrete și așa mai departe. În special, litera I corespunde unui subgrup de microcircuite folosite pentru a construi dispozitive de calcul digital.

Serii diferite de circuite integrate diferă în ceea ce privește numărul de microcircuite și nomenclatura lor (evaluări de tip). Evaluare standard IC este un simbol specific care conține informații de bază despre microcircuit. Pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, numărul de tipuri de circuite integrate dintr-o anumită serie poate crește.

Dintre seria de microcircuite, circuitele integrate logice tranzistor-tranzistor (TTL și TTLsh) sunt cele mai dezvoltate funcțional. Aceste serii sunt caracterizate de o gamă largă de circuite integrate, așa că vom ilustra în principal prezentarea materialului educațional cu exemple ale acestor microcircuite.

GOST-ul menționat mai sus conține, de asemenea, simboluri grafice convenționale ale elementelor logice și oferă reguli pentru formarea UGO a elementelor și modulelor logice mai complexe. Prin urmare, ar trebui în primul rând să vă familiarizați cu GOST specificat.

Tabelul 1.2

	Desemnare
Elemente NAND
Elemente ȘI-NU/SAU-NU
Expanders prin OR
elemente SAU-NU
Elementele I
Elem. ȘI-SAU-NU/ȘI-SAU
elemente SAU
Elemente de OR-NOT/OR
Elementele NU
Alte articole
Elemente ȘI-SAU-NU
elemente ŞI-SAU

1.3.2. Utilizarea algebrei booleene pentru a descrie

elemente logice şiTroiuri

După cum sa menționat mai sus, funcționarea elementelor logice nts pot fi descrise prin funcții logice (booleene). La rândul lor, funcțiile logice pot fi definite (setate) prin enumerarea tuturor condițiilor în care funcția ia valoarea log.1, adică. după condiţiile de adevăr şi după condiţiile de fals (valori log.0). În mod similar, luând în considerare funcționarea unui (orice) element logic, putem enumera toate condițiile în care un semnal logic 1 apare la ieșire, sau condițiile în care un semnal logic 0 va fi prezent la ieșirea elementului. Aceasta este principiul dualității(dualitate) în descriere dispozitive logice.

În tehnologie, atunci când descrieți funcționarea diferitelor dispozitive, conceptul de „activ”, spre deosebire de valoarea „inactivă” a unui semnal, este utilizat pe scară largă. În același timp, sub activ Valoarea (nivelul) unui semnal este înțeleasă ca o acțiune care provoacă acțiunea dorită la ieșirea dispozitivului sau, cu alte cuvinte, dispozitivul are acțiuni active asupra dispozitivelor externe. Dimpotrivă, acțiunile inactive au un efect pasiv asupra dispozitivelor externe. Astfel, în logică ele se concentrează de obicei pe adevărul enunțurilor, astfel încât adevărul enunțurilor ar trebui să fie considerat implicit sensul lor activ. În mod similar, atunci când descriem dispozitivele tehnice, se poate concentra pe condițiile pentru „funcționarea” lor sau pe condițiile pentru „nefuncționare”.

Acordurile conform cărora semnalul log.1 este considerat activ se numesc acorduri „ pozitiv» logică. Dimpotrivă, atunci când valoarea activă este considerată log.0, astfel de acorduri se numesc „ negativ» logică. De regulă, un nivel „mai ridicat” al semnalelor este luat ca semnal log.1, iar un nivel de semnal „mai scăzut” este luat ca un semnal log.0. De exemplu, atunci când se utilizează un circuit integrat TTL, semnalul log.1 este considerat a fi o tensiune de cel puțin +2,4 ÎN, iar tensiunea semnalului log.0 este mai mare decât zero, dar nu mai mare de 0,4 ÎN. Acestea sunt niveluri de semnal standard în dispozitivele bazate pe circuite integrate TTL.

Descrieri întocmite în baza acordurilor logica pozitiva si cu acorduri logica negativă, echivalent din punct de vedere logic, deoarece descriu același dispozitiv. in orice caz complexitate tehnic realȘițiuni dispozitivele logice, în funcție de acordul ales, se pot dovedi a fi semnificativ diferite. Prin urmare, problema alegerii unei metode de descriere se pune întotdeauna pentru a obține cea mai simplă soluție tehnică.

După cum sa menționat deja, principalele funcții ale algebrei logicii sunt funcţiile a două variabile. Puteți compune aceste funcții pur formal, dând argumentelor tot felul de valori (combinații ale valorilor lor), apoi dați funcțiilor tot felul de valori. Deoarece atât argumentele, cât și funcțiile pot lua doar două valori, nu este dificil să se determine numărul de combinații alcătuite din argumente și numărul tuturor funcțiilor posibile. Fie numărul de argumente n, și numărul de combinații ale acestora N, Apoi

N = 2n. (1.1)

Numărul tuturor funcțiilor logice posibile poate fi apoi calculat folosind formula

M = 2N = . (1.2)

După cum se poate observa din formula (1.2), numărul de funcții booleene (logice) crește rapid odată cu creșterea numărului de argumente n. Da cand n=2 obținem N=22=4 și M=24=16, adică șaisprezece funcții logice a două argumente.

În tabel 1.3 arată denumirile și denumirile funcțiilor, semnificațiile acestora pe un anumit set de valori ale argumentelor AȘi b, precum și expresii algebrice ale acestor funcții în forma normală perfectă disjunctivă(DSNF) și forma normală perfectă conjunctivă(KSNF).

Din analiza acestui tabel rezultă că printre numeroasele funcții date există funcții constante Funcțiile „zero” și „unu”, „repetiție” și „inversie” (NU funcții) ale variabilelor de intrare A Și b, care sunt de fapt funcții unu argument, și există funcții care depind semnificativ din Două argumente.

În expresiile algebrice de mai sus, semnul + (plus) indică operația de adunare logică (disjuncție), bara deasupra unei variabile sau deasupra unei expresii logice indică operația de inversare, iar simbolurile pentru înmulțirea logică (produs) sunt omise.

Tabelul 1.3

Funcțiile logice ale două argumente

Nu.	Numele funcției	Valorile funcției pentru valorile argumentului	Desemnare	Forme algebrice ale funcțiilor
	Zero
	Interzice b					Ab
	Con Intersecție (I)					A&b sau ab
	Repetație A
	Interzice A					bA
	Inegal sens					Ab
	Repetație b
	Diz conjuncție (funcție SAU)					A+b		A+b
	Pierce (SAU-NU)
	Inversiuneab(NU)
	Ravn sens
	Impl ication b					bA
	InversiuneaA
	Schaeffer (ȘI-NU)
	Impl ication A					Ab
	Unitate privat

Funcțiile constante exprimă de fapt independența față de argumente și, în același timp, pot fi considerate „funcții” pe un număr mare de argumente. Notă, zero funcția nu are un DSNF pentru că nu ia niciodată valoarea log.1 și singur funcția nu are KSNF, deoarece nu ia niciodată valoarea log.0. Rezultă că DSNF corespunde Descriere(atribuirea) funcţiilor logice conform condiţiilor de adevăr(conform log.1), și KSNF în condiţii de falsitate(log.0). Orice funcție logică, cu excepția funcțiilor constante, are atât DSNF, cât și CSNF. Acest lucru corespunde faptului că orice dispozitiv logic (indiferent cât de complex ar fi) poate fi descris prin condiții de declanșare și condiții nedeclanșate.

Valorile funcțiilor „repetiție” și „inversie” (V3, V6, V9, V12) fie repetă valorile unuia dintre argumente, fie iau valori opuse (inverse). De aceea au primit acele nume.

Funcții de inversare numite cel mai adesea funcții NOT. Aceste funcții sunt implementate de porți NOT (sau invertoare). Funcțiile de repetare sunt implementate de repetoare. Se obișnuiește să se spună că funcțiile de inversare și repetare " imaterial» depind de al doilea argument, deși pot fi reprezentate ca funcții a două, trei sau mai multe argumente.

În tehnologie, funcțiile „Disparitate” și „Echivalență” sunt mai bine cunoscute ca „suma modulo doi (mod 2)” și, respectiv, „modul de inversare a sumei 2”. Funcțiile Schaeffer și Peirce sunt, respectiv, cunoscute ca „inversarea unui produs logic” (funcții NAND) și „inversarea unei sume logice” (SAU-NU). Aceste funcții sunt implementate de elemente logice cu același nume.

În algebra booleană și ulterior în expresiile logice, se obișnuiește să se noteze funcții cu litere mari alfabetul latin și argumente funcții litere mici(mic) scrisori acelasi alfabet.

1.3.3. Metode și forme pentru specificarea funcțiilor logice

La descrierea dispozitivelor logice, se dovedește că metoda de specificare (definire) a funcțiilor logice și forma de prezentare a acestora influențează semnificativ dificultatea de a obține rezultatul final. În funcție de scop, metodele de precizare și forma de prezentare a funcțiilor pot fi diferite. De exemplu, atunci când se construiesc dispozitive logice pe memorii programabile doar pentru citire (PROM), formele algebrice ale funcțiilor logice sunt nedorite și impracticabile. Cu toate acestea, atunci când se construiesc dispozitive pe microcircuite cu un grad scăzut de integrare, pe circuite integrate ale elementelor logice, sunt necesare forme algebrice minime ale funcțiilor logice, deoarece în caz contrar este imposibil să se asigure costuri hardware minime. Astfel, alegerea metodei de atribuire depinde de scopul urmărit de a descrie dispozitivele.

Distinge tabular, matrice, graficȘi analitic metode de atribuire.

La tabular sarcinile folosesc așa-numitul „ tabele șiCuminuscul» funcții logice, în care valorile funcțiilor sunt indicate pe întregul set de combinații ale argumentelor lor. Astfel, numărul de coloane din tabelul de adevăr este determinat de numărul de argumente și numărul de funcții, iar numărul de rânduri este determinat de formula (1.1). Tabelele de adevăr sunt utilizate pentru familiarizarea generală cu funcționarea dispozitivelor combinaționale atunci când numărul de intrări (argumente ale funcției) și numărul de ieșiri (număr de funcții) nu depășește 4. Tabelele de adevăr devin greoaie cu un număr mai mare de argumente și, prin urmare, sunt puțin utile pentru analiză. Folosind tabele de adevăr, este destul de ușor să găsiți forme algebrice ale funcțiilor în DSNF sau în KSNF, dar nu sunt potrivite pentru căutarea formelor algebrice minime.

Matrice modul de specificare (sau specificarea funcțiilor folosind bdematrice de ieşire) se bazează pe o afișare grafică a întregului set de combinații de argumente ale funcției pe un „plan” (în spațiu bidimensional). Conceptul de „matrici booleene” a fost introdus de A.D. Zakrevsky, i s-a oferit și el matricea vizuală metoda de minimizare a functiilor logice. În literatura străină, această metodă de specificare și minimizare a funcțiilor logice este cunoscută sub numele de „metoda de specificare și minimizare folosind Harta Carnot" (Conceptul de „matrice” folosit în matematică nu trebuie confundat cu conceptul de „matrice booleană”). Alături de concept boolean matrȘitsaîn cele ce urmează se va folosi conceptul Harta Carnot, deoarece conceptele sunt sinonime.

O matrice booleană este un dreptunghi cu un raport de aspect de 1:2 (pentru un număr impar de argumente ale funcției) sau un pătrat (pentru un număr par de argumente), împărțit în pătrate elementare (celule). Numărul de celule din matrice este întotdeauna un multiplu al unei puteri de doi și este determinat de formula (1.1). Astfel, numărul de pătrate elementare este egal cu setul complet de combinații alcătuit din argumente de funcție. Sus în dreaptaȘi partea stanga matricele, parantezele dreptunghiulare sau o linie dreaptă continuă marchează zonele valorilor cu un singur argument (Fig. 1.2). Mai mult, aceste paranteze sunt marcate cu identificatori de argument, care sunt plasați sub paranteză sau în dreapta (jos) a parantezelor. În mod convențional, se crede că aria limitată de paranteză este aria valorilor unice ale argumentului, iar în afara acestei zone argumentul are o valoare zero. Astfel, harta Karnaugh etichetată este, așa cum ar fi, „codificată” prin combinații de argumente. În acest caz, fiecare celulă va corespunde unei combinații foarte specifice de argumente ale funcției. Harta în sine este marcată identificatorul funcției în partea de jos sau pe dreapta.

Pentru a seta o funcție cu un card, trebuie să puneți valorile acestei funcții (0 sau 1 sau ~) în celulele corespunzătoare.

Astfel, Fig. 1.2 prezintă hărțile Carnaugh pentru funcții cu 4, 5 și 6 argumente.

În special, funcțiile X și Y sunt complet specificate, dar funcția Z este subdeterminată deoarece, împreună cu valorile fixe de 1 și 0, celulele arată valori „condiționale” marcate cu simbolul ~ (tildele tipografice simbol). Condiţional valorile funcțiilor logice sunt utilizate în cazurile în care valorile specifice (0 sau 1) nu pot fi determinate în prealabil. Astfel de cazuri apar, de exemplu, la sintetizarea dispozitivelor conform condițiilor incomplet specificate sau atunci când combinațiile de argumente corespunzătoare celulelor cu simbolul ~ nu pot apărea dintr-un motiv oarecare. În procesul de găsire a expresiilor logice minime ale funcțiilor subdeterminate, aceste valori condiționate sunt definite cu valorile 1 sau 0, încercând să se obțină cele mai simple expresii algebrice.

În principiu, forma matriceală de specificare a funcțiilor logice este mai convenabilă pentru căutarea formelor algebrice minime ale funcțiilor de până la 10 (sau mai multe) argumente. Secvența de construire a unei hărți Karnaugh pentru funcții cu un număr mare de argumente poate fi înțeleasă comparând Fig. 1.2, A cu imagini 1.2, bȘi V.

Grafic metoda de specificare a funcţiilor logice se bazează pe utilizare n-cuburi dimensionale. Dimensiunea unui cub este determinată de număr n argumente ale funcției, de exemplu, o funcție de trei argumente poate fi specificată ca un cub tridimensional, al cărui vârf corespunde unei anumite combinații de argumente. Pentru a defini o funcție folosind un cub tridimensional, vârfurile cubului sunt etichetate corespunzător. Această metodă nu este utilizată pe scară largă și nu o vom folosi.

Analitic metoda de specificare a funcţiilor este cea mai utilizată pentru a găsi diagrame funcționale dispozitive sintetizate. Datorită simbolurilor grafice convenționale (CG) ale elementelor logice, este posibilă trecerea în mod adecvat direct de la o expresie algebrică la o diagramă funcțională și, invers, folosind diagrama funcțională pentru a obține o expresie algebrică a unei funcții care descrie semnalul de ieșire al dispozitivul. În plus, folosind legile și consecințele algebrei logicii, puteți efectua transformări echivalente ale expresiilor logice și, prin urmare, puteți obține versiuni noi de diagrame funcționale.

În algebra booleană, se disting mai multe tipuri de forme algebrice de funcții, două forme DSNF și KSNF au fost date în Tabelul 1.3. Prima se obține atunci când funcția este determinată de condițiile de adevăr (prin 1), iar a doua când funcția este determinată de „zerouri”.

De exemplu, funcția X specificată de harta din Fig. 1.2, A, va avea următoarele forme perfecte:

După cum se poate observa din Fig. 1.2, A, iar din expresiile (1.3) și (1.4), rezultă că funcția ia valoarea „1” dacă un număr impar de argumente ia valoarea log.1, în caz contrar ia valoarea „0”. Astfel de funcții sunt implementate de circuite „pare/impare” sau elemente logice „suma mod2”. Dacă folosim simbolul pentru suma mod2 (funcția de disparitate V5 din Tabelul 1.3), atunci putem scrie

X = A b c d. (1.5)

Această expresie este mai scurtă și este echivalentă cu expresia (1.3). Vă rugăm să rețineți (Fig. 1.2, A), funcția sum mod2 și inversarea acesteia corespund „modelului de șah” de pe harta Karnaugh. Aceasta poate fi folosită în viitor atunci când căutați alte forme algebrice de funcții logice. Apropo, aceste funcții nu au normal minim formele disjunctive și conjunctive ale MDNF și ICNF.

Să luăm în considerare CI-urile de elemente logice utilizate frecvent și vom folosi diverse forme de descriere a funcțiilor logice implementate de aceste elemente.

1.3.4. NU porti

Acestea sunt cele mai simple elemente, având o intrare și o ieșire. Astfel de elemente sunt descrise de funcția logică de negație și inversare și sunt numite pur și simplu funcții NOT. Figura 1.3 prezintă UGO a elementelor HE recomandate de GOST. După cum puteți vedea, indicatorul de inversare poate fi plasat fie la ieșire, fie la intrarea elementului logic. Potrivit GOST, nu puteți pune marcajul principal al funcției „1” în câmpul principal al UGO.

Expresia algebrică pentru funcția de inversare are forma

X =

și citește „nu A" Semnalul de ieșire al elementului NOT ia întotdeauna valoarea opusă față de valorile semnalului de intrare. Există mai multe tipuri de elemente logice IC, care diferă în modul în care este organizată ieșirea. De exemplu, în seria IC K155 există microcircuite K155LN1 care conțin 4 elemente logice NOT cu capacitate de încărcare standard. NU există elemente cu capacitate de încărcare crescută, dar toate sunt descrise prin aceeași expresie logică.

Elementele logice „repetoare” au și o intrare și o ieșire, dar semnalul de ieșire repetă valoarea semnalului de intrare. Astfel de elemente sunt folosite pentru a „decupla” ieșirile elementelor logice și pentru a crește capacitatea de încărcare a acestora.

1.3.5. ȘI porți

Aceste elemente implementează funcția de înmulțire logică (conjuncție). Funcțiile sunt cel puțin duble sau multi-loc și sunt descrise prin următoarele expresii logice:

X = A&b = Ab = A· b = ab. (1.6)

Simbolurile de conjuncție & și pot fi înlocuite cu un punct sau pot fi omise. Semnal de ieșire element ȘI ia valoarea log.1 numai dacă toate semnalele de intrare iau valoarea log.1. Fig. 1.4 prezintă simboluri grafice și hărți Carnaugh pentru o intrare cu două intrări (Fig. 1.4, AȘi b) și cu trei intrări (Fig. 1.4, VȘi G) element logic ȘI.

Fig.1.4. Denumirile grafice convenționale ale elementelor ȘI: cu două intrări ( A),

cu trei intrări ( V), hărți ale funcțiilor logice Carnaugh 2I ( b) și 3I ( G)

După cum se poate vedea din matricele booleene de mai sus, conjuncția este egală cu log.1 numai în singurul caz în care toate argumentele iar primul, Și al doilea, Și al treilea Și etc. ia simultan valoarea log.1. Prin urmare, astfel de elemente sunt numite modele de potrivire, denumirea de „conjunctori” este mai puțin comună, iar funcțiile care îi descriu sunt uneori funcții I. În seria IC sunt produse diverse elemente logice ȘI, de exemplu, microcircuitul K155LI1 conține 4 elemente 2I (cu două intrări). Diferența constă în numărul diferit de intrări pentru diferite elemente.

Prezentat în Fig. 1.4, bși Fig.1.4, G ilustrate prin matrici reguli logice de multiplicare, iar UGO-urile afișate corespund Sunt de acordeprincipiile logicii pozitive.

Datorită legilor comutative și combinaționale care sunt valabile în algebra booleană, intrări elemente logice cu mai multe intrări ȘI sunt echivalent din punct de vedere logic, și un element logic cu mai multe intrări ȘI poate fi obținută din mai multe elemente cu două intrări ȘI. Deci, în Fig. 1.5 puteți vedea

Avem două opțiuni pentru a construi un element logic ȘI cu șase intrări (6I) pe elemente cu două intrări ȘI(2I).

Toate circuitele prezentate în Fig. 1.5 sunt echivalente din punct de vedere logic și, la rândul lor, sunt echivalente cu denumirea grafică convențională a unui element logic cu 6 intrări ȘI(Fig. 1.5, V). În același timp, circuitele sunt descrise prin expresii logice care diferă în forma de notație:

X = ((((A· b)· c)· d)· k)· m? diagrama fig. 1,5, A; (1.7)

Y = ((ab)·(CD))·( km) ? diagrama fig. 1,5, b; (1.8)

iar următoarea expresie corespunde simbolului elementului 6I:

Z = abcdkm. (1.9)

Deși, în conformitate cu legile algebrei booleene menționate, schimbarea locurilor factorilor nu modifică produsul logic și parantezele în expresiile produsului logic nu trebuie plasate, totuși, expresiile (1.7), (1.8) și (1.9) transportă informații despre moduri de a construi scheme. Astfel, expresiile indicate pot fi considerate „modele logico-matematice” ale circuitelor date, inclusiv UGO al elementului 6I.

Trebuie remarcat faptul că atunci când descriem dispozitive combinaționale logice folosind expresii booleene, de regulă, factorul timp este abstractizat. Această descriere corespunde descrierii dispozitivelor în condiții statice la valori constante ale semnalelor de intrare (și variabilelor). Se crede că modificările semnalelor de intrare și de ieșire apar instantaneu și, în mod similar, se schimbă valorile argumentelor și valorile funcțiilor logice în sine. În același timp, elementele reale au un timp finit de tranziție de la o stare la alta sau, după cum se spune, au un timp finit (diferit de zero) de propagare a semnalelor de la intrările la ieșirea unui element sau dispozitiv. Având în vedere acest lucru, ar trebui să se acorde preferință diagramei din Fig. 1.5, b, în care timpul de propagare a semnalelor de la intrările etichetate cu argumente de funcție la ieșirea circuitului este în medie mai scurt. Sursa conține informații despre funcțiile logice de temporizare care pot fi utilizate pentru a descrie circuite cu întârzieri de timp.

1.3.6. SAU porți

SAU sunt implementate porți logice suma logică semnale binare multiple (și variabile de intrare). Funcția care descrie astfel de elemente este numită disjuncție sau funcție complex logicenia. Figura 1.6 prezintă simbolurile (UGO) elementelor OR și hărțile Carnaugh ale funcțiilor care le descriu.

Expresie algebrică pentru suma logică a două variabile AȘi b scris astfel

X = A b = A + b. (1.10)

În algebra booleană, un simbol este folosit pentru a reprezenta o disjuncție. În aplicațiile sale tehnice, semnul + (al adunării aritmetice) este de obicei folosit, dar numai atunci când acest lucru nu duce la incorecte la scrierea formulelor și a expresiilor logice. (Acest semn va fi folosit în primul rând pentru a indica disjuncția.)

După cum se poate observa din hărțile din Fig. 1.6, bși Fig. 1.6, G, funcția de adăugare logică ia valoarea log.0 numai în singurul caz când toate argumentele iau valoarea log.0. Are valoarea log.1 dacă primul argument sau al doilea, sau al treilea etc., sau toate împreună argumentele iau valoarea log.1. Prin urmare, această funcție se numește funcție SAU.

La fel ca în cazul conjuncției mai multor variabile, legile comutative și combinaționale ale algebrei booleene sunt aplicabile disjuncției. Și consecința acestui lucru este echivalența logică a intrărilor elementelor logice SAU, precum și posibilitatea de a construi elemente SAU cu mai multe intrări din elemente similare, dar cu un număr mai mic de intrări. Dacă în Fig. 1.5 toate elementele ŞI sunt înlocuite cu elemente SAU cu două intrări (2OR), atunci toate concluziile trase cu privire la circuitele din Fig. 1.5 vor fi valabile pentru circuitele obţinute printr-o astfel de înlocuire. De asemenea, puteți scrie modele logico-matematice pentru circuitele rezultate și UGO-ul elementului 6OR, înlocuind în expresiile (1.7), (1.8) și (1.9) toate simbolurile înmulțirii logice cu semnele + (disjuncții).

Diverse serii de circuite integrate au elemente logice SAU. De exemplu, în seria TTL acesta este microcircuitul K155LL1 care conține 4 elemente 2OR.

1.3.7. Porți NAND

Aceste elemente implementează inversarea unui produs logic semnale de intrare. Cu alte cuvinte, elementele NAND sunt descrise de funcția de „negație a conjuncției”. În algebra booleană, astfel de funcții sunt numite funcții Schaeffer un simbol special „? ", numit accident vascular cerebral Schaeffer. Pentru ușurință de citire, vom folosi simbolul de inversare (overbar) deasupra expresiei conjuncție pentru a indica funcțiile Schaeffer. De exemplu, forma algebrică de scriere a funcției Schaeffer a două argumente va fi după cum urmează:

X = A / b = = . (1.11)

În expresia (1.11), semnele egale corespund identității logice a expresiilor, iar partea dreaptă a expresiei corespunde CSNF-ului funcției AND-NOT (funcția V13 din Tabelul 1.3). Dar, în general, expresia sună astfel: „ inversul unui produs logic este egal cu suma logică a inverselor argumentelor" Această afirmație este cunoscută în algebra booleană ca legea lui de Morgan relativ inversarea produsului logic(inversarea conjuncției) . Figura 1.7 prezintă simbolurile grafice ale elementului 2I-NOT, circuitul său echivalent funcțional și harta Carnot pentru funcția în cauză. Comparând hărțile Carnaugh ale funcțiilor AND și ale funcțiilor NAND, este ușor de observat că celulele conțin valori opuse ale funcțiilor numite. Prin compararea hărților cu expresii algebrice ale funcției AND și ale funcției NAND, se pot trage următoarele concluzii:

Fiecare unitate, stând într-o celulă matriceală, corespunde logic muncă(conjuncție) toate argumentele funcții; luate o dată cu sau fără semnul inversării. Dacă pe zonă se află o celulă cu o unitate valorile unui singur argument, apoi acest argument inclusîn conjuncţie fără inversare zero cifreAargumente, apoi acest argument intră cu semn şinversiuni.

Pentru fiecare zero, stând într-o celulă matriceală, corespunde jurnaluluiȘisuma tehnica(disjuncția) a tuturor argumentelor funcției, luate o dată cu sau fără semnul inversării. Dacă pe zonă se află o celulă cu zero valorile unui singur argument, apoi acest argument inclusîn disjuncție cu semn de inversare. Dacă celula este situată în zonă valori zero ale argumentului, apoi acest argument intră fără semnRaceste.

Aceste concluzii sunt de natura regulilor pentru găsirea DSNF (prima concluzie) și KSNF (a doua concluzie) din matrice booleene de funcții logice. Ar trebui adăugat doar că pt căutare DSNF aceste funcții sunt necesare eleconjuncţii mentale„conecta” cu simboluri disjuncţii(plus), și cu găsirea KSNF funcții disjuncţii elementare ar trebui să fie conectate prin simboluri conjuncţii.

Sub conjuncție elementară funcțiile logice sunt înțelese lOprodusul logic al tuturor argumentelor funcției, luate o dată cu sau fără semn de inversare.

Sub disjuncție elementară funcțiile logice sunt înțelese lOsuma logică a tuturor argumentelor funcției, luate o dată cu sau fără semnAka inversiune.

În serii de microcircuite există elemente NAND care diferă în ceea ce privește numărul de intrări, numărul de elemente dintr-un microcircuit și, de asemenea, modul în care este organizată ieșirea. De exemplu, microcircuitul K155LA3 conține 4 elemente 2I-NOT cu capacitate de încărcare standard. Microcircuitul K155LA8 conține un element 8I-NOT cu capacitate de încărcare crescută (este egal cu 30, iar capacitatea standard de încărcare este 10).

Elementul 2I-NOT este de bază pentru microcircuite logice tranzistor-tranzistor (TTL), adică Acest element formează baza pentru construcția tuturor microcircuitelor numite, inclusiv microcircuite TTLsh.

1.3.8. elemente SAU-NU

Funcțiile care descriu elementul 2SAU-NU se numesc funcții Peirce în algebra booleană a fost introdus un simbol special pentru ele (săgeată Pierce). În aplicațiile tehnice, aceste funcții sunt numite „inversa unei sume logice (disjuncție)” sau pur și simplu funcții NOR. În special, funcția Peirce cu două locuri, funcția 2SAU-NU, are următoarele expresii algebrice:

Z = A b = = . (1.12)

În cele ce urmează, aceste funcții vor fi notate prin simbolul inversării deasupra expresiei sumei logice. Partea dreaptă a expresiei (1.12) corespunde afirmației că „ inversul sumei logice esteîn același timp produs logic al termenilor, luat din simboluri inverse opuse" Această afirmație este a doua legea lui de Morganîn ceea ce priveşte inversarea disjuncţiei. Conform expresiei (1.12), elementul 2SAU-NU poate fi reprezentat prin simboluri grafice convenționale folosind convenții de logică pozitivă, convenții de logică negativă și un circuit echivalent funcțional (Fig. 1.8).

În versiunea integrată, sunt disponibile elemente logice OR-NOT cu numere diferite de intrări. Un exemplu este microcircuitul K155LE1, care conține 4 elemente logice 2OR-NOT, sau K155LE3 cu două elemente 4OR-NOT. Ca și în cazul elementelor OR, la fel și cu elementele OR-NOT, toate intrările sunt echivalente din punct de vedere logic.

1.3.9. Elementele „BAN”

Aceste elemente cu două intrări au primit această denumire deoarece semnalul de la una dintre intrări „interzice” sau „permite” trecerea semnalului aplicat celei de-a doua intrări către ieșirea elementului. Prin urmare, o intrare se numește intrare de prohibiție, iar a doua intrare se numește „informație”. Valorile semnalului de ieșire coincid cu valorile semnalului de informații de intrare în starea de permis, iar în starea de interdicție, semnalul de ieșire are o valoare de log.0, indiferent de valoarea semnalului la introducerea de informații. Tabelul 1.3 prezintă două funcții de inhibare V1 (inhibare b) și funcția V4 (interdicție A). În fig. 1.9 arată elementul UGO „interdicție” A„(interzis de A), expresia algebrică și harta Carnaugh a unei funcții cu același nume și un circuit funcțional echivalent al elementului.

La A= 0 valoarea funcției Z se potrivesc cu valoarea argumentului b.

Dacă A= 1 (stare inhibată) ieșirea elementului va avea în mod constant un semnal log.0. Deci intrarea A este intrarea de prohibiție și intrarea b informativ. Evident, același UGO va corespunde elementului „interdicție b» doar intrare b va fi invers, iar intrarea A va fi drept. În mod similar, în expresia algebrică a unei astfel de funcții, argumentul b va avea un semn de inversare, dar argumentul A va intra fără semnul de inversare.

Trebuie remarcat faptul că elementele de PROHIBITION au intrări inegale din punct de vedere logic. Acest lucru înseamnă, la rândul său, că semnalele de intrare nu pot fi schimbate.

Elementele logice BAN sunt produse într-o versiune integrată, dar nu în toate seriile. De exemplu, în seria K161 (pe tranzistoare MOS cu R-canal) exista un microcircuit K161LP2 ce contine 4 elemente INHIBITION cu intrare comuna de interzicere. În Fig. 1.9, A este dat un simbol grafic convențional (UGO) care corespunde convențiilor logicii pozitive. Este posibil să compuneți un UGO folosind acorduri cu logică negativă. Pentru a face acest lucru, peste partea dreaptă a expresiei algebrice a funcției, trebuie să „luați” semnul dublu de inversare, apoi să extindeți un semn conform legii lui De Morgan:

Astfel, cu convenții de logică negativă, analogul elementului BAR UGO va fi elementul 2SAU-NU UGO doar una dintre intrări ar trebui să aibă un indicator de inversare.

1.3.10. Elemente logice „additoare mod2” și

circuite de paritate/ paritate impară

Funcția logică V5 „inechivalență” (Tabelul 1.3) ia valoarea log.1 numai când număr impar de argumente Accept znAjurnalul de citire.1. Deoarece funcțiile și argumentele pot lua doar două valori, această funcție este echivalentă cu operația de adunare mod2 pe numere binare, reprezentând seturi binare de valori ale argumentelor. Această operație este indicată prin utilizarea unui simbol între argumente. Aceste funcții sunt cel puțin duble, cu toate acestea, pot fi cu mai multe locuri, adică depind de mai multe argumente.

Formele algebrice de scriere a funcției de adunare mod2 din două argumente au următoarea formă:

Y = A b = . (1.14)

Părțile din dreapta ale expresiei (1.14) sunt DSNF și, respectiv, KSNF. În conformitate cu aceste forme, este posibil să se construiască circuite echivalente funcționale ale unui sumator mod2 cu două intrări. Aceste scheme, precum și UGO recomandat de GOST și matricea booleană a acestei funcții sunt prezentate în Fig. 1.10.

Vă rugăm să rețineți că în diagrama din Fig. 1.10, A Au fost utilizate elementele de interdicție UGO și elementul 2ILI. În diagrama din fig. 1.10, V Pentru a implementa disjuncția inversiilor de argument, se utilizează elementul 2I-NOT și, în plus, elementele 2OR și 2I. Diagramele de mai sus arată încă o dată că pot fi create mai multe diagrame funcționale pentru un adunator mod2 cu două intrări!

Mai sus, în Fig. 1.2, A, harta Karnaugh a funcției de adăugare mod2 cu 4 locuri a fost dată ca exemplu. Poate fi implementat printr-un adunator mod2 cu 4 intrări cu un simbol grafic similar cu Fig. 1.10, G(trebuie să aibă 4 intrări) . Deoarece modificarea pozițiilor termenilor nu modifică suma mod2, toate intrările la sumele mod2 sunt echivalente din punct de vedere logic. Să-l notăm din nou! Ce se întâmplă dacă numărul de semnale de intrare care iau valoarea log.1 este par, atunci semnalul de ieșire al sumatorului mod2 va fi egal cu log.0, adică. are o valoare inactivă, paritatea „nu este încălcată”. Prin urmare, astfel de elemente sunt numite „circuite de paritate”.

Acum acordați atenție funcției V 10 functie ra logicVsens, (Tabelul 1.3). Ia valori opuse față de suma mod2, adică este inversarea acesteia. Prin urmare, denumirea grafică convențională a elementului care îl implementează va diferi de Fig. 1.10, G numai prin prezența unui pointer de inversare la ieșirea elementului.

Folosind expresiile algebrice ale funcției de echivalență cu două locuri (1.15), este posibil să se obțină circuite echivalente funcționale ale unui sumator mod2 cu două intrări cu o ieșire inversă (2-NOT).

X = = = . (1.15)

Harta Karnaugh a acestei funcții va diferi de harta din Fig. 1.10, b faptul că în celule ar trebui plasate valori opuse (zerourile trebuie înlocuite cu unele, iar cele cu zerouri). Nu este dificil de stabilit sensul semantic al acestei funcții, deoarece ia valoarea log.1 pentru un număr par și valoarea log.0 pentru ciudat numărul de valori individuale ale argumentelor sale. Schemele care o implementează se numesc „ circuite de paritate impare».

Elementele logice 2 sunt produse într-o versiune integrată, de exemplu, microcircuitul K155LP5 conține 4 astfel de elemente.

Există microcircuite care îndeplinesc funcția de adunator mod2 cu mai multe intrări cu ieșire directă și inversă. De exemplu, cipul K155IP2 este un circuit de 8 biți controlează ceTness/ paritate impară cu ieșire directă și inversă și două intrări de control. Un astfel de microcircuit implementează simultan funcția 8 și funcția 8-NU. Denumirea grafică convențională a acestui microcircuit și tabelul care descrie modurile de funcționare ale CI sunt prezentate în Fig. 1.11.

În Tabelul 1.4, în coloanele de valori ale semnalului de ieșire XȘi Y, sunt date expresii algebrice prescurtate ale funcțiilor de ieșire cu același nume. Din aceste expresii rezultă că cu o combinație de semnale la intrările de control v 1 =0 și v 2 =1 ieșire X se va realiza suma mod2 a tuturor celor opt semnale de informare. În același timp, la ieșire Y se va implementa o inversare a acestei sume. În plus, tabelul arată că, cu combinații de semnale la intrările de control 0-0 sau 1-1, microcircuitul este într-o stare „inoperabilă” atunci când semnalele la ambele ieșiri iau aceleași valori, indiferent de valorile semnalele de informare de intrare.

1.3.11. Porți logice majoritare

Aceste elemente sunt descrise de funcții logice, care au mai mult de două argumente și sunt ciudat. În consecință, pentru orice element majoritar, numărul de intrări este întotdeauna ciudat. Semnalul de ieșire devine activ atunci când majoritatea semnalelor de intrare ia valori active. Prin urmare, astfel de elemente implementează „ principiul majoritățiiTva„în procesarea sau recepția semnalelor.

Să presupunem că nivelul log.1 este luat ca valoare activă a semnalelor de intrare și de ieșire. Apoi, pentru elementul majoritar „2 din 3” (cu trei intrări), semnalul de ieșire va fi egal cu log.1 dacă două (oricare) sau toate cele trei semnale de intrare iau valoarea log.1.

Figura 1.12 prezintă UGO al unui astfel de element, harta Carnot a funcției de ieșire și circuitul său echivalent funcțional.

După harta funcțiilor F puteți găsi forma sa normală disjunctivă minimă (MDNF):

F = ab + bc + ac. (1.16)

Această formulă descrie direct circuitul din Fig. 1.12, b. După cum se poate observa din harta Carnot (Fig. 1.12, V), cele sunt în celule situate în zonele de valori unitare a două și a tuturor celor trei argumente. Prin analogie, puteți construi o hartă Carnot pentru elementul majoritar „3 din 5”, puteți găsi expresia algebrică minimă a funcției sale de ieșire și apoi construiți o diagramă funcțională.

În varianta integrală există elemente majoritare, dar nu în toate seriile. De exemplu, în seria KR1533 există un microcircuit KR1533LP3, care reprezintă trei elemente majoritare „2 din 3” cu o intrare de control invers comun. Semnalul log.0 la intrarea de control permite executarea functiilor majoritare, iar semnalul log.1 interzice implementarea acestora. Schema funcțională a acestui microcircuit și UGO a acestuia sunt prezentate în Fig. 1.13. Comparând diagrama funcțională din Fig. 1.13, b cu diagrama elementului majoritar Fig. 1.12, b, puteți înțelege cum este organizat controlul și ce valori iau semnalele de ieșire atunci când un semnal logic 1 este aplicat la intrarea de control (este marcat pe UGO cu eticheta „E”). (Pe UGO și, în consecință, pe diagrama din Fig. 1.13, b numerele indică numerele de pin ale microcircuitului.)

Există elemente majoritare cu ieșire inversă, de exemplu, microcircuitele 533LP3 și KR134LP3 conțin fiecare trei astfel de elemente. În acest caz, principiul „majorității” va fi implementat în ceea ce privește semnalele de nivel scăzut (semnale log.0). De asemenea, trebuie remarcat faptul că pentru elementele majoritare, precum și pentru elementele ȘI-NU și SAU-NU, toate intrările sunt echivalente din punct de vedere logic, i.e. Ordinea în care sunt furnizate semnalele de intrare nu este semnificativă.

1.3.12. Elemente și elemente de prag logic

"exclusiv sau"

Printre elementele logice cu mai multe intrări, se poate distinge un grup de elemente în care semnalul de ieșire capătă o valoare activă numai în cazurile în care un anumit număr specificat de semnale de intrare ia și o valoare activă. Astfel de elemente sunt de obicei numite elemente „prag logic”. În special, dacă semnal de ieșire ia valoare log.1, Când numai unul si numai unul din semnalele de intrare ia valoarea log.1, atunci astfel de elemente se numesc elemente „SAU exclusiv”. Acestea sunt, de asemenea, elemente ale unui prag logic, doar „pragul” este egal cu unul. Pentru ei, GOST-urile reglementează și UGO, în domeniul principal al căruia este plasată eticheta „=1” (pentru elemente exclusiv SAU), sau o etichetă precum „= n", Unde n un număr întreg mai mic decât numărul de intrări ale unui element logic.

Deci, Fig. 1.14 arată UGO al elementului exclusiv SAU cu trei intrări, UGO al elementului de prag logic „=2 din 4”, hărți Carnaugh ale funcțiilor lor de ieșire și circuite echivalente funcționale.

Analizând hărțile Karnaugh reduse ale funcțiilor X Și Y, observăm că aceste funcții nu au forme algebrice disjunctive minime (metoda matricei vizuale de minimizare a funcțiilor logice va fi discutată mai jos). Prin urmare, diagramele funcționale ale elementelor numite pot fi construite prin găsirea de expresii algebrice în DSNF sau în alte forme.

Deci, diagrama din Fig. 1.14, d obtinut din urmatoarea expresie:

X = . (1.17)

Acesta este DSNF al funcției exclusive OR. Dacă am putea găsi în mod similar expresia funcției Y, atunci ar consta din 6 termeni (termeni) disjunctivi, fiecare dintre care ar reprezenta produsul tuturor celor 4 argumente. Apoi diagrama funcțională a elementului prag logic „=2 din 4” ar consta dintr-un element 6OR, șase elemente logice 4I și 4 elemente NOT. Diagrama este în Fig. 1.14, e obtinut din urmatoarea expresie logica:

Y = (Ad)(bc) + (Ab)(cd). (1.18)

Regulile pentru obținerea acestui tip de expresii algebrice din matrice booleene de funcții logice vor fi discutate mai jos. Acum este oportun să ne amintim că suma mod2 este afișată pe hărțile Carnaugh printr-un model de șah de unu și zero. Astfel, expresia (1.18) a fost obținută din „modele private de șah” evidențiate cu diferite umpleri (Fig. 1.14, G) pentru funcție Y folosind operația de eliminare a factorilor comuni din paranteze. O expresie similară ar putea fi obținută pentru funcția „SAU exclusiv” folosind harta din Fig. 1.14, b.

Trebuie remarcat că în cazul special când numărul de intrări ale elementului „SAU exclusiv” este egal cu două, atunci această funcție este egală și cu funcția de adunare mod2 a două argumente (2). Din păcate, elementele logice „SAU exclusiv” și „prag logic” cu mai mult de două intrări nu sunt disponibile într-un design integrat.

1.3.13. Elemente logice „IMPLICATORE”

Aceste elemente logice sunt descrise de funcția „implicație” (Tabelul 1.3 funcții V 11 și V 14).

V 11 = b A = ,

V 14 = A b = . (1.19)

Prima dintre funcții se numește „implicație” b", iar a doua "implicație A" Figura 1.15 prezintă simbolurile grafice ale elementului logic IMPLICATOR Ași harta Karnaugh a funcției sale de ieșire. Partea dreaptă a expresiilor (1.19) indică faptul că funcția de implicare este, în același timp, o inversă a funcției PROHIBITION.

Din harta Fig. 1.15, V urmează că funcția de implicare este falsă Doar cand unu din argumente acceptă falseție, si celalalt Adevărat.

IMPLICATOARELE integrate practic nu sunt produse în serii de circuite integrate utilizate pe scară largă. În același timp, conform UGO Fig. 1.15, AȘi V, funcția de implicare poate fi implementată de elementul 2OR prin aplicarea unui semnal la una dintre intrările sale prin intermediul invertorului, sau de către elementul PROHIBITION prin pornirea invertorului la ieșirea acestuia. Nu prezentăm aceste circuite echivalente funcționale deoarece sunt triviale.

Trebuie remarcat faptul că intrările la elementele logice ale implicatorilor lOinegal din punct de vedere logic, prin urmare ordinea semnalelor de intrare este strict fixă.

1.3.14. Porți logice multifuncționale

Cele de mai sus au fost discutate" simplu» elemente logice care implementează simple sau destul de simplu operatii logice. În același timp, într-o versiune integrată sunt produse elemente logice (LE) mai complexe, care sunt capabile să implementeze (simultan sau prin reconectarea intrărilor la magistralele logice 0 sau logic 1) mai multe funcții simple. De fapt, aceste elemente permit posibilitatea implementării funcțiilor logice multiloc din fragmente din formele lor algebrice normale disjunctive sau conjunctive normale. Tabelul 1.2 a dat deja denumirile circuitelor integrate în funcție de scopul funcțional și simbolurile acestora. Să luăm în considerare doar cele mai utilizate LE-uri multifuncționale.

Porți logice ȘI-SAU-NU

Astfel de elemente implementează inversiune forme normale disjunctive(DNF) a expresiilor de funcții algebrice, ceea ce este echivalent cu implementarea forme normale conjunctive(CNF) a acestor funcții. Astfel, Fig. 1.16 prezintă UGO al microcircuitelor K155LR1 și K155LR3. Microcircuitul K155LR1 conține două elemente 2-2I-2OR-NOT, iar microcircuitul K155LR3 este un element 2-2-2-3I-4OR-NOT, extensibil prin SAU.

Conform diagramei funcționale (Fig. 1.16, b) a unuia dintre elementele microcircuitului K155LR1, puteți crea următoarea expresie algebrică pentru funcția sa de ieșire:

F = = . (1.20)

Astfel, această funcție are 4 argumente, iar partea dreaptă a expresiei (1.20) corespunde formei normale conjunctive minime a funcției. F(ICNF). Partea stângă a acestei expresii corespunde direct cu UGO al elementului 2-2I-2OR-NOT. Al doilea element similar al acestui microcircuit are intrări de expansiune SAU „non-logice”. Ele sunt marcate în câmpul suplimentar din stânga al UGO cu semnele „e” ieșire emițător și „k” ieșire colector. Ilogic pinii (intrări sau ieșiri) sunt de obicei numiți cei pe care semnalele pot lua valori non-standardTnivelurile finale Voltaj. Astfel de concluzii sunt marcate pe UGO de elemente logice (sau microcircuite) cu un indicator special sub forma unei „cruci”. În special, pentru circuitele integrate luate în considerare, aceste concluzii sunt făcute de la colectorul și emițătorul tranzistorului etapei de divizare de fază a elementului logic de bază al seriei de circuite integrate TTL. Prin conectarea ieșirilor CI-urilor de expandare OR corespunzătoare la acestea, puteți crește numărul de intrări ale elementului OR-NOT inclus în elementul multifuncțional. De exemplu, pentru microcircuitele luate în considerare, factorul de combinare a intrării este 8, iar expandoarele SAU implementează produsul logic al mai multor semnale de intrare. În esență, expansoarele OR sunt elemente SI cu mai multe intrări, cu singura diferență că semnalele de ieșire nu au nivelurile standard de log.0 și log.1. Cele de mai sus ne permit să scriem, prin analogie cu expresia (1.20), o expresie algebrică pentru funcția de ieșire V pentru al doilea element:

V = . (1.21)

Numărul maxim de termeni următori din expresia (1.21) poate fi egal cu 8 (în conformitate cu coeficientul de integrare peste intrări), iar fiecare termen poate fi afișat ca o conjuncție de maximum opt argumente. Astfel, expresiile (1.20) și (1.21) definesc modelul logico-matematic al microcircuitului K155LR1.

Vă sugerăm să găsiți în mod independent modelul logic-matematic al microcircuitului K155LR3, folosind pentru aceasta ceea ce este prezentat în Fig. 1.16, G denumirea sa grafică convențională.

porți SAU-ȘI

Aceste elemente logice implementează fragmente de forme normale conjunctive (CNF) ale funcțiilor booleene, adică produsul logic al sumelor logice a mai multor argumente. De exemplu, cel mai simplu element ar fi 2-2OR-2I. Un astfel de element este descris de o funcție a formei

X = (A + b)(c + d). (1.22)

Figura 1.17 prezintă UGO al acestui element, harta Carnot a funcției sale de ieșire Xși circuit echivalent funcțional.

LE similare sunt produse într-o versiune integrată, de exemplu, în seria ESL IC există un microcircuit K500LS118, care este două elemente logice 2-3ILI-2I cu o intrare comună. În Fig. 1.17, G Este prezentat UGO al acestui microcircuit. Folosind denumirea sa grafică convențională, puteți crea următoarele expresii logice ale funcțiilor de ieșire Y Și Z:

Y = (X 1 + X 2 + X 3)(X 4 + X 5 + X 6), (1.23)

Z = (X 6 + X 7 + X 8)(X 9 + X 10 +X 11).

Expresiile (1.23) sunt un model logico-matematic al microcircuitului luat în considerare. Disponibilitatea unei intrări comune X 6 face posibilă utilizarea microcircuitului K500LS118 ca două elemente independente de tip 2-3ILI-2I (cu X 6=0),

sau ca două elemente independente 3OR (cu X 6 =1). Acest lucru poate fi ușor verificat prin înlocuirea valorilor corespunzătoare X 6 în expresii (1.23).

Porți logice NOR/NOR

În esență, aceste elemente sunt elemente SAU cu două ieșiri, directe și inverse. Prin urmare, ele implementează simultan disjuncția și inversarea disjuncției din același set de semnale de intrare și sunt descrise de funcții logice cu același nume. Deci, în Fig. 1.18, A arată UGO al elementului 3OR-NOT / 3OR și simbolurile grafice simbolice ale microcircuitelor din seria K500 care conțin elemente logice similare. Figura prezintă, de asemenea, hărțile Carnot ale funcțiilor de ieșire ale elementului specificat, circuitul său echivalent funcțional (Fig. 1.18, b) și microcircuite UGO K500LM105 (Fig. 18, d), K500LM109 (Fig. 1.18, e) și K500LM101 (Fig. 1.18, și). Trebuie remarcat faptul că versiunea dată a diagramei funcționale nu este singura în locul elementului 3OR-NOT, se pot folosi elementul 3OR și, de asemenea, elementul NOT. Pe baza simbolurilor grafice ale microcircuitelor enumerate, este ușor de înțeles că IC-ul K500LM105 conține trei elemente independente: două elemente 2OR-NOT/2OR și un element 3OR-NOT/3OR.

În mod similar, puteți înțelege compoziția microcircuitului K500LM109

(Fig. 1.18, e).

Acordați atenție microcircuitului UGO K500LM101 (Fig. 1.18, și). Microcircuitul conține 4 elemente identice de tip 2OR-NOT / 2OR cu ieșiri separate și o intrare comună X 5. Dacă semnalul la această intrare X 5 = 0, atunci microcircuitul poate fi considerat ca un set de 4 elemente NOT și, în același timp, ca un set de patru repetoare de semnal la intrări X 1, X 2, X 3 și X 4. Dacă X 5 = 1, atunci, indiferent de valorile altor semnale de intrare, semnalele logice 1 vor fi instalate la ieșirile directe, iar semnalele logice 0 vor fi instalate la ieșirile inverse. Astfel, fiecare element din cip joacă un rol inversare controlatăOra-repetator.

În plus, observăm că în seria K500 există elemente logice de tip SAU-ȘI-NU/SAU-ȘI, de exemplu microcircuitul K500LK117. Acesta este practic un analog al microcircuitului K500LS118 (Fig. 1.17, G) cu diferența că fiecare element 2-2ILI-2I are ieșiri directe și inverse.

Am examinat aproape toate elementele logice utilizate pe scară largă în construcția dispozitivelor digitale. Analizând materialul prezentat, putem ajunge la următoarele concluzii:

Există din analiticOdescrierea LE la el denumire grafică convențională fie la funcțiiObani gheata echivalent cu acesta sistem.

Există posibilitatea unei tranziții clare din UGO element sau din acesta diagrama functionala La descrierea sa analitică. În acest caz, funcționarea elementului este descrisă prin expresii algebrice ale funcțiilor logice implementate de element.

3. Diagramele funcționale ale LE-urilor complexe pot fi construite variat mai simplu (mai puțin complex) elemente logice, si aici este ambiguitate(multivariantă) construcție de circuite echivalente funcționale pentru același LE.

Deoarece dispozitivele logice sunt în esență o colecție de elemente logice interconectate, formulate concluzii poate fi extins cu succes la dispozitive.

În același timp, apare problemă Cum poți construi un dispozitiv cu o cantitate minima LE și pe elemente minimbnomenclatură. Cu alte cuvinte, cum să construiți un dispozitiv cu minȘicosturi hardware reduse.

Soluţie acest Probleme bazată pe cunoștințe seturi complete funcțional de elemente logiceȘi selecție după anumite criteriieriam a setului corespunzător.

1.3.15. Seturi complete funcțional de porți logice

Complet funcțional numit un astfel de set LE, pe care (din care) este posibil construi orice dispozitiv logic oricât de greu ar fi. Completitudine funcțională un set de elemente logice, la rândul său, este determinat completitudine niste sisteme logiceefuncțiile cerului, care sunt modele logico-matematice ale setului selectat de LE-uri.

În algebra booleană există Teorema post-Jablonski, conform cărora sunt stabilite criterii de completitudine niste sisteme cu funcții logice. Esența acestei teoreme se rezumă la următoarele.

Un sistem de funcții logice va fi complet dacă conține:

o functie, 0,

f (X 1, X 2, X n) = f (0, 0, 0) 0;

b) funcția, neconservare constantă logică 1,

f (X 1, X 2, X n) = f (1, 1, 1) 1;

c) funcția, nu auto-dual,

d) funcția, neliniară,

f (X 1, X 2, X n) X 1 X 2 X n X 1X 2 X 1 X 2X n;

d) funcția, nu monoton.

Dacă X1 este un set fix de valori ale argumentelor funcției f(X 1,X 2,X 3,X 4), de exemplu X1 =<X 1, X 2, X 3, X 4> = <1,1,0,1>și X2 =<X 1, X 2, X 3, X 4> = <0,0,0,1>un alt set de aceste argumente, atunci putem presupune că X1 > X2, i.e. setul X2 este mai mic decât setul X1.

PRELEGII

Prin disciplina

„Organizarea și funcționarea calculatoarelor”

pentru studenti

specialitatea 2-40 01 01 „Software pentru tehnologia informației”

Oshmyany 2010

ADNOTARE

Pentru materiale de curs la disciplina „Organizarea și funcționarea calculatoarelor” pentru studenții de specialitatea 2-40 01 01 „Software pentru tehnologia informației”, elaborat de profesorul instituției de învățământ „Colegiul Agrar-Economic de Stat Oshmyany” M.G. Shatkevici.

Relevanța materialului metodologic, semnificația acestuia. Acest set de prelegeri este un set de materiale necesare pentru organizarea de înaltă calitate a muncii studenților la orele practice de însuşire a disciplinei „Organizarea și operarea calculatoarelor” pentru studenții specialității 2-40 01 01 „Software pentru tehnologia informației”

Prelegerile sunt desfășurate în strictă conformitate cu Regulamentul privind complexele educaționale și metodologice de discipline în vigoare la Colegiul Agrar și Economic de Stat Oshmyany. Complexul a inclus prelegeri la toate secțiunile disciplinei „Organizarea și funcționarea calculatoarelor”.

Posibilitate de aplicare practică. Setul de prelegeri poate fi recomandat profesorilor atunci când pregătesc și desfășoară cursuri la disciplina „Organizarea și operarea calculatoarelor” pentru studenții specialității 2-40 01 01 „Software pentru tehnologia informației”, precum și studenții cu normă întreagă în timpul studiului independent. .

Încheierea comisiei de ciclu. Setul de prelegeri a fost trecut în revistă în cadrul unei ședințe a comisiei ciclului de discipline juridice și tehnologii informaționale, recomandate pentru uz intracolegial (protocol Nr.___ din „____”______________________20___).

Introducere. 4

Prezentarea informațiilor într-un computer... 5

Coduri cu detectarea erorilor. 9

Coduri de corectare a erorilor. 10

Secțiunea 2. Algebra logicii și fundamentele teoretice ale sintezei dispozitivelor digitale. 11

Elemente de logică matematică. unsprezece

Forme ale funcţiilor logice şi utilizarea lor pentru sinteza circuitelor logice.. 13

Elemente logice și circuite. Clasificarea dispozitivelor logice. 15

Metode de minimizare a funcțiilor logice. 17

Secțiunea 3. Sinteza circuitelor combinaționale.. 18

Etapele construirii unui circuit logic.. 18

Multiplexoare și demultiplexoare.. 20

Decriptoare și criptoare.. 22

Comparatoare, sumatori.. 24

Secțiunea 4. Elementele de declanșare ale dispozitivelor digitale. 25

Clasificarea declanșatorilor și caracteristicile lor generale. Flip-flop RS asincron și varietățile sale 25

Bistabile asincrone cu o singură intrare.. 27

Declanșatoare sincrone.. 29

Secțiunea 5. Sinteza automatelor digitale. 31

Registrele. Registrul de deplasare. 31

Contoare conform mod M. Contoare reversibile. Sinteza circuitelor secvenţiale.. 33

Secțiunea 6. Starea actuală și perspectivele de dezvoltare a bazei elementului și a echipamentelor informatice. 35

Introducere

Cursul Organizarea și operarea calculatoarelor se bazează pe afirmația fundamentală că: Un computer poate fi privit ca o ierarhie a nivelurilor structurale ale unei organizații.

Această afirmație se aplică în mod egal atât organizării hardware, cât și structurii și organizării software-ului. La nivelul superior al ierarhiei se află instrumente software orientate către probleme, precum Mathcad (pentru rezolvarea problemelor matematice), Visual Basic pentru aplicații de birou, nivelul de mai jos este limbaje orientate procedural (C/C++, Pascal)... , cel mai scăzut nivel este nivelul de implementare fizică a elementelor logice digitale.

Scopul principal al cursului: familiarizarea cu nivelul de implementare fizică și cu unele fundamente teoretice folosite pentru a descrie nivelurile inferioare ale organizației:

ü principiul reprezentării digitale a datelor în dispozitive tehnice;

ü bazele algebrei logice și utilizarea acesteia pentru a descrie funcționarea dispozitivelor digitale;

ü sisteme de numere;

ü câteva concepte de bază ale circuitelor digitale: dispozitive logice combinaționale și dispozitive cu memorie (flip-flops, registre, contoare).

O parte semnificativă a aspectelor studiate sunt de natură aplicativă și ajută semnificativ la alegerea în cunoștință de cauză a tehnicilor adecvate în situații specifice, permițând uneori îmbunătățirea semnificativă a caracteristicilor de performanță ale modulelor software (reducerea memoriei necesare sau a timpului de execuție).

Scopul predării disciplinei „Organizarea și funcționarea calculatoarelor” este de a studia fundamentele fizice ale construcției și funcționării tehnologiei informatice moderne, principiile de construcție și funcționare a elementelor, nodurilor și dispozitivelor informatice. Disciplina include informații despre fundamentele aritmetice, logice și de circuite ale construcției computerelor și stă la baza studiului ulterior al disciplinei „Tehnologia microprocesoarelor”.

Disciplina se bazează pe cunoștințele dobândite de studenți în timpul studierii disciplinelor „Matematică” și „Informatică”.

Pentru studierea materialului didactic se asigură lucrări practice și de laborator. Programul de disciplină este conceput pentru 68 de ore, dintre care 34 de ore sunt cursuri, 24 de ore sunt ore practice, 10 ore sunt ore de laborator.

Bibliografie

1. Babich N. P., Jukov I. A. Circuite computerizate. Metode de construcție și

2. Design: Tutorial. – K.: „MK-Press”, 2004

3. Arhitectura calculatoarelor Zhmakin A.P. - Sankt Petersburg: BHV-Petersburg, 2006

4. Lysikov B.G. Tehnologia digitală și informatică - Mn.: UP Ecoperspective, 2002

5. Novikov Yu V. Fundamentele circuitelor digitale. Elemente de bază și diagrame. Metode de proiectare. M.: Mir, 2001

6. Ugryumov E.P. Circuite digitale - Sankt Petersburg: BHV-Petersburg, 2004

7. Boyko V.I. Circuitele circuitelor electronice. Microprocesoare și microcontrolere. - Sankt Petersburg: BHV-Petersburg, 2004

8. Tsilker B. Ya., Orlov S.A. Organizarea calculatoarelor si sistemelor. – Sankt Petersburg: Peter, 2004

9. Informatica: manual / B.V. Sable – Rostov n/a: Phoenix, 2006

Secțiunea 1. Bazele matematice ale circuitelor digitale

Centrul Interuniversitar Tomsk pentru Educație la Distanță

A.V. Şarapov

MICROELECTRONICA

INGINERIA CIRCUITURILOR DIGITALE

Tutorial

		T Q 1
				tranziții
					&D 3

TOMSK – 2007

Revizor: cap Departamentul de Electronică Industrială și Medicală, Universitatea Politehnică din Tomsk, Doctor în Inginerie. științe, prof. G.S. Evtușenko; Şeful Departamentului, Întreprinderea Unitară Federală de Stat „NPC „Polyus”, Doctor în Inginerie. Științe Yu.M. Kazantsev

Corector: Tarasova L.K.

Sharapov A.V.

Microelectronica: manual. - Tomsk: Centrul Interuniversitar Tomsk pentru Educație la Distanță, 2007. - 158 p.

Sunt prezentate principiile construcției și funcționării elementelor logice, decodoarelor, multiplexoarelor, adunatoarelor, comparatoarelor digitale, bistabilelor, contoarelor, registrelor și cipurilor de memorie. Sunt luate în considerare exemple de sinteză de dispozitive digitale combinaționale și automate digitale.

Manualul este destinat studenților universităților radio-electronice și conține note scurte de curs, exemple de rezolvare a problemelor și un atelier de laborator de calculatoare privind circuitele digitale. Studenții din învățământul la distanță efectuează două lucrări de laborator, un test pe calculator și susțin un examen pe calculator.

Sharapov A.V., 2007 Centrul Interuniversitar Tomsk

învățământ la distanță, 2007

1. Introducere............................................... .................................................
2 Concepte de bază ale microelectronicii............................................. ......
	Tipuri de semnale.................................................. ........................................
	Clasificarea microcircuitelor și simbolurile lor....
3 Bazele matematice ale electronicii digitale..................
	Sisteme de numere poziționale.................................................. ....
	Tabelul de adevăr ................................................. ... ................
	Forma normală disjunctivă perfectă..................................
	Legile de bază ale algebrei booleene............................................. .......
	Diagramele Venn ................................................. ... ...................
	Hărți Carnaugh.............................................................. ... ............................
	Etapele sintezei dispozitivelor digitale.................................................. ......
	Exemple de sinteză a dispozitivelor digitale..................................
	Element logic majoritar.................................................. .....
4 Elemente logice de bază.............................................. ...... ....
	Clasificarea elementelor logice.............................................................. .....
	Element de bază TTL................................................... ................... ..............
	Expansor logic............................................................. .......
	Element colector deschis.................................................. ....
	Element cu starea Z la ieșire............................................. ..........
	Element de bază TTLSH................................................... ...... ..........
	Circuitul ESL de bază.................................................. .................... ...................
	Elemente CMOS de bază.................................................. .................... .......
4.10 Principalele caracteristici ale elementelor logice..................
4.11 Exemple de microcircuite cu elemente logice..................................
4.12 Microcircuite pe bază de arseniură de galiu..................................
5 Dispozitive digitale de tip combinat..................................
	Encryptor.................................................... ....... ................................
	Decodor.................................................. ............................
	Convertoare binare în BCD,
	si invers............................................... .................................
	Decodor pentru controlul cu șapte segmente
	indicator................................................. ....... ...........................

	Convertoare de cod gri.................................................. .................... .....
	Multiplexor.............................................................. ....... .......................
	Implementarea functiilor folosind un multiplexor.........
	Adunator binar.................................................. ... ...............
	Adunator binar-zecimal.................................................. ...................
		Scheme de scădere.............................................................. ... ...............
		Convertor de cod direct în suplimentar...........
		Comparator digital.............................................................. ... ..........
		Paritatea ................................................. ............... ................
		Exemple de construcție combinațională digitală
		dispozitive............................................................. ....... ................................
6 Dispozitive digitale de tip serial............
	Clasificarea declanșatorilor.................................................. .... ......
	Flip-flop RS asincron............................................. ....... ........
	Flip-flop RS tactat............................................. ....... .........
	D-declanșatoare.................................................. .... ................................
	T-trigger.................................................. .... ...................................
	Declanșatorul JK.................................................. ........................................................
	Clasificarea contoarelor.................................................. .... ......
	Contor binar asincron.................................................. .....
	Contor BCD asincron..................................
		Contor binar sincron.................................................. .....
		Contoare reversibile............................................................. ........ ..........
		Contoare cu un modul de numărare arbitrar..................................
		Registrele de deplasare.................................................. ........ .................
		Registre de memorie................................................. ........ ...................
		Registre universale............................................................. ......
		Registrul de apel................................................. ... ................
		Contor de inele................................................ ... ................
		Contoare pe registrele cu deplasare.................................................. ......
		Exemple de construire a dispozitivelor digitale
		tip secvenţial................................................................ ........
7 Dispozitive de memorie semiconductoare...................
	Clasificarea dispozitivelor de stocare..................
	Tip mască ROM.................................................. ................... ..............
	ROM-uri programabile unice................................................. ......
	ROM-uri reprogramabile............................................. ...

	RAM statică.................................................. ................... ..........
	RAM dinamică.................................................. ................... ......
	Exemple de cipuri de memorie.................................................. ........... .
	Organizarea blocului de memorie.................................................. ...................... ....
8 Exemple de rezolvare a problemelor.............................................. ...... ..........
9 Atelier de calculator despre circuite digitale...
10 Opțiuni pentru sarcini creative.............................................. .......
11 Exemplu de realizare a unei sarcini creative..................................
Bibliografie................................................ . .....................
Aplicație. Simboluri grafice convenționale
microcircuite ............................................................. ...................................................

1. INTRODUCERE

Electronica este ramura științei și tehnologiei care se ocupă de:

– studiul fenomenelor fizice și dezvoltarea dispozitivelor a căror funcționare se bazează pe fluxul de curent electric în solid, vid sau gaz;

– studierea proprietăților, caracteristicilor și parametrilor electrici ai acestor dispozitive;

– aplicarea practică a acestor dispozitive în diverse dispozitive și sisteme.

Prima dintre aceste direcții constituie regiunea electronice fizice. A doua și a treia direcție alcătuiesc zona electronica tehnica.

Circuitul dispozitivelor electronice este o realizare inginerească a principiilor electronicii pentru implementarea practică a circuitelor electronice concepute pentru a îndeplini funcții specifice de generare, conversie și stocare a semnalelor care transportă informații în electronica de curent scăzut și funcții de conversie a energiei curentului electric în electronică de curent mare. .

Din punct de vedere istoric, electronica a fost o consecință a apariției și dezvoltării rapide a ingineriei radio. Ingineria radio este definită ca un domeniu al științei și tehnologiei care se ocupă cu cercetarea, dezvoltarea, fabricarea și utilizarea dispozitivelor și sistemelor concepute pentru a transmite informații prin canale de comunicații cu frecvență radio.

Ingineria radio se bazează pe descoperiri științifice ale secolului al XIX-lea: lucrarea lui M. Faraday (englez), care a clarificat legile interacțiunii dintre câmpurile electrice și magnetice; J. Maxwell (engleză), care a generalizat legile elementare ale electromagnetismului și a creat un sistem de ecuații care descriu câmpul electromagnetic. J. Maxwell a prezis teoretic un nou tip de fenomene electromagnetice – undele electromagnetice care se propagă în spațiu cu viteza luminii. G. Hertz (german) a confirmat experimental existența undelor electromagnetice.

Primul receptor radio a fost inventat, proiectat și testat cu succes în 1895 de către A.S. Popov (rus). Un an mai târziu, comunicarea radio a fost realizată de G. Marconi (italian), care și-a brevetat invenția și a devenit laureat al Premiului Nobel în 1909.

CU De atunci, dezvoltarea tehnologiei radio a fost determinată de dezvoltare

a ei element de bază, care este determinată în principal de progresele în electronică. Este interesant să urmărim pe scurt principalele etape de dezvoltare ale bazei sale elementare.

Cel mai simplu dispozitiv electronic - o diodă în vid - a fost inventat de T. Edison (american) în 1883, care a montat un electrod metalic în cilindrul unei lămpi electrice incandescente și a înregistrat un curent într-o singură direcție într-un circuit extern. În 1904, J. Flemming a folosit pentru prima dată o diodă în vid ca detector într-un receptor radio. Un dispozitiv electric de amplificare a vidului - o triodă - a fost inventat de Louis de Forest (american) în 1906. De atunci, în primul sfert al secolului XX, tehnologia dispozitivelor electrice de vid s-a maturizat încet într-un număr de laboratoare științifice din multe ţări ale lumii. În Rusia, această direcție a fost condusă de șeful laboratorului Nijni Novgorod M.A. Bonch-Bruevici. Deja în 1922, angajații acestui laborator au construit primul

V post de radiodifuziune mondial numit după. Komintern cu o putere de 12 kW. Și până în 1927 au fost construite 57 de astfel de stații. În 1925, a fost creată o lampă generatoare de 100 kW. În 1933, cel mai puternic post de radio din lume (500 kW) a intrat în funcțiune în Rusia. Primul emițător de televiziune cu o putere de 15 kW a fost pus în funcțiune la Moscova în 1948. A.I. Berg în 1927–1929 a creat teoria clasică a emițătorilor. V.A. Kotelnikov în perioada 1933-1946. a fost demonstrată teorema de cuantizare a timpului, care a pus bazele metodelor de procesare a semnalului digital, a fost demonstrată posibilitatea comunicării radio pe o bandă laterală și a fost publicată teoria imunității potențiale la zgomot.

Perioada 1920-1955 a fost era electronicii cu tuburi. Prima triodă semiconductoare - tranzistor - creată

V 1948 de J. Bardin şi W. Brattain (american). Din 1955, începe era electronicii semiconductoare. Primele circuite integrate au apărut în anii 1960. Primul microprocesor datează din 1971.

ÎN În 1998, tranzistorul și-a sărbătorit jumătatea de secol:

V În ultima zi a lunii iunie 1948, compania americană Bell Telephon Laboratoris a demonstrat publicului un dispozitiv electronic nou inventat, pe care a doua zi New York Times a raportat întâmplător și fără patos: „Elementele de lucru ale dispozitivului constau din două fire subțiri. presat pe o bucată de substanță semiconductoare.. Substanța amplifică curentul furnizat acesteia printr-un fir, iar celălalt fir elimină curentul amplificat. Un dispozitiv numit tranzistor poate fi folosit în unele cazuri în locul tuburilor cu vid.”

Da, exact așa arăta primul tranzistor și nu este surprinzător că nici măcar experții nu au reușit să discerne imediat viitorul său triumfător. Între timp, dispozitivul prezentat ar putea amplifica și genera semnale electrice, precum și să îndeplinească funcția unei chei care, la comandă, deschide sau blochează un circuit electric. Și, ceea ce este esențial important, toate acestea au fost realizate în interiorul unui cristal solid, și nu în vid, așa cum se întâmplă într-un tub de electroni. Acest lucru a dus la un întreg set de avantaje potențiale ale tranzistorului: dimensiuni mici, rezistență mecanică, fiabilitate ridicată și durabilitate fundamental nelimitată. Trei sau patru ani mai târziu, când au fost dezvoltate proiecte mult mai avansate de tranzistori, toate aceste avantaje așteptate au început să devină realitate.

Onoarea de a descoperi efectul de tranzistor, pentru care a fost acordat Premiul Nobel pentru Fizică în 1956, îi aparține lui W. Shockley, J. Bardeen și W. Brattain. Este caracteristic că toți trei au fost fizicieni străluciți care au urmărit intenționat această descoperire. Shockley, liderul grupului de cercetare, a ținut prelegeri despre teoria cuantică a semiconductorilor încă din anii de dinainte de război și a pregătit o monografie fundamentală, care a devenit multă vreme o carte de referință pentru specialiștii în acest domeniu. Cele mai înalte calificări ale lui Bardeen ca fizician teoretician sunt confirmate nu numai de invenția tranzistorului și de predicția unui număr de efecte în comportamentul semiconductorilor, ci și de faptul că mai târziu, în 1972, împreună cu alți doi cercetători, a fost din nou distins cu Premiul Nobel - acum pentru crearea teoriei supraconductivității. Brattain, cel mai vechi din grup la momentul invenției

tranzistorul avea cincisprezece ani de experiență în cercetarea proprietăților de suprafață ale semiconductorilor.

Deși descoperirea efectului de tranzistor în sine a fost într-o oarecare măsură un accident fericit (în limbajul de astăzi, au încercat să facă un tranzistor cu efect de câmp, dar au făcut unul bipolar), pregătirea teoretică a cercetătorilor le-a permis să realizeze aproape instantaneu ceea ce descoperiseră și prezice o serie întreagă de dispozitive mult mai avansate. Cu alte cuvinte, crearea unui tranzistor a fost posibilă numai pentru fizicieni, care, în mod necesar, posedau și un minim de abilități inventive.

La noi, tranzistorul a fost reprodus în 1949 în laboratorul Fryazino condus de A.V. Krasilov, un om de știință important cu cea mai largă erudiție.

Primele tranzistoare au fost realizate pe baza germaniului semiconductor și au permis o temperatură de funcționare de numai până la 70 ° C, iar acest lucru nu a fost suficient pentru multe probleme aplicate.

În a doua jumătate a anilor cincizeci, a avut loc un salt calitativ decisiv în dezvoltarea tranzistoarelor: în loc de germaniu, au început să folosească un alt semiconductor - siliciu. Ca urmare, temperatura de funcționare a tranzistorilor a crescut la 120-150 °C, în timp ce caracteristicile lor au rămas foarte stabile, iar durata de viață a dispozitivelor a devenit aproape nesfârșită. Dar, poate, principalul lucru a fost că în 1959 compania americană Firechild a dezvoltat așa-numitul tehnologie plană. Principiul aici a fost că cel mai subțire film de dioxid de siliciu, crescut la temperaturi ridicate pe suprafața cristalului, protejează în mod fiabil siliciul de influențele agresive și este un izolator excelent. „Ferestrele” sunt create în acest film, prin care, de asemenea, la temperaturi ridicate, aditivii dopanți sunt introduși în semiconductor - așa sunt făcute fragmente ale viitorului dispozitiv. Apoi, curentul de aluminiu cu peliculă subțire conduce către zonele active este pulverizat pe suprafața izolată de volum - iar tranzistorul este gata. Particularitățile procesului sunt că toate impacturile asupra plăcii sunt efectuate într-un singur plan și că procesarea simultană a mii și milioane de

tranzistori pe o napolitană, ceea ce duce la cel mai înalt grad de reproductibilitate a produsului și productivitate ridicată.

Folosind metode de tehnologie plană, este ușor să se asigure izolarea tranzistorilor de substrat și unul de celălalt, iar de aici este doar un pas de a crea circuit integrat(microcircuite), adică create

dezvoltarea unui circuit electronic cu componente active și pasive și conexiunile acestora pe un singur cip într-un singur proces tehnologic. Acest pas a fost făcut în același 1959. Lumea a intrat într-o eră microelectronică.

Un microcircuit tipic este un cristal de siliciu (cip), în regiunea apropiată a suprafeței din care sunt fabricați mulți tranzistori, interconectați prin piste de peliculă de aluminiu într-un circuit electric dat. În primul microcircuit, „setul” era format din doar 12 tranzistoare, dar în doi ani nivelul de integrare a depășit o sută de elemente pe cip, iar la mijlocul anilor ’60, circuitele integrate mari (LSI) care conțineau mii de elemente au început să fie domina, apoi ultra-mari (VLSI), etc.

Microcircuitul are o putere de informare mai mare, cu atât este mai mare numărul de tranzistori pe care îi conține, adică cu atât este mai mare. densitatea de integrare(densitatea de ambalare a elementelor active în cristal). Și este determinat de dimensiunea minimă a elementului activ și de zona cristalului pe care tehnologia este capabilă să o reproducă.

Elementele de bază abordate în acest tutorial proiectarea circuitelor digitale formați abilități de proiectare a circuitelor pentru construirea de dispozitive digitale bazate pe circuite integrate. Se studiază principiul de funcționare al celor mai simple elemente logice și metode de proiectare a convertoarelor de cod, adunătorilor, comutatoarelor digitale, bistabilelor, registrelor, contoarelor și cipurilor de memorie pe baza acestora. Funcționarea multor dispozitive poate fi verificată prin simulare pe computer folosind pachetul Electronics Workbench.

Bibliografia recomandată include în primul rând cărți de referință despre circuitele integrate digitale. Printre alte surse folosite în acest manual, aș dori să remarc lucrările conferențiarului TUSUR Potekhin V.A. și Shibaeva A.A. , căruia autorul îi exprimă sinceră recunoștință.

Vom începe călătoria dumneavoastră în lumea electronicelor cu o scufundare în electronica digitală. În primul rând, pentru că acesta este vârful piramidei lumii electronice, iar în al doilea rând, conceptele de bază ale electronicii digitale sunt simple și de înțeles.

Te-ai gândit vreodată ce descoperire fenomenală în știință și tehnologie a avut loc datorită electronicii și electronicii digitale în special? Dacă nu, atunci ia-ți smartphone-ul și aruncă o privire atentă la el. Un astfel de design simplu este rezultatul unei cantități uriașe de muncă și realizări fenomenale ale electronicii moderne. Crearea unei astfel de tehnici a fost posibilă datorită ideii simple că orice informație poate fi reprezentată sub formă de numere. Așadar, indiferent de informațiile cu care lucrează dispozitivul, în adâncul său efectuează scăderea numerelor.

Probabil că sunteți familiarizat cu cifrele romane și arabe. În sistemul roman, numerele sunt reprezentate ca o combinație a literelor I, V, X, L, C, D, M, iar în arabă folosind combinația de simboluri 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Dar există și alte forme de reprezentare a numerelor. Una dintre ele este forma binară. Sau, așa cum este numit mai des, sistemul de numere binar. Într-un astfel de sistem numeric, orice număr este o secvență de numai „0” și „1”.

arabic	român	Binar
0	-	00
1	eu	01
2	II	10
3	III	11

Matematicienii și inginerii au muncit din greu, iar astăzi orice informație poate fi prezentată ca o combinație de zerouri și unu: un semnal de la un senzor de mișcare, muzică, video, fotografie, temperatură și chiar și acest text pe care îl citiți acum se află de fapt în adâncimile dispozitivului arată ca o secvență de zerouri și unu.

Indiferent de informațiile pe care le gestionează un dispozitiv digital, în adâncul acesta procesează numere.

De ce exact „0” și „1”, și nu „0”, „1” și „2”, de exemplu? De fapt, au existat încercări destul de reușite de a crea tehnologie digitală care folosește nu un sistem de numere binar, ci ternar ("0", "1" și "2"), dar binarul totuși a câștigat.

Poate că a câștigat pentru că URSS s-a prăbușit sau poate pentru că „0” și „1” sunt mai ușor de reprezentat sub formă de semnale electrice. Aceasta înseamnă că dispozitivele digitale bazate pe sistemul de numere binar sunt mai ușor și mai ieftin de produs. Voi vorbi mai multe despre numerele binare mai târziu.

Structura unui dispozitiv digital

Aproape fiecare dispozitiv digital conține elemente tipice, din care constă o combinație. Unele elemente sunt foarte simple, unele sunt mai complexe, iar altele sunt complet complexe. În practica amatorilor, cele mai frecvente sunt: ​​declanșatoarele, temporizatoarele, contoarele, registrele, microcontrolerele, comparatoarele etc.

Să alegem ceva din această listă și să vedem cum funcționează. Să fie un microcontroler (MK)! Bine, o să recunosc. Am ales microcontrolerul cu un motiv. Cert este că apariția microprocesoarelor a făcut o adevărată revoluție în electronică și a împins dezvoltarea acesteia la un nou nivel.

MK este cel mai numeros și popular tip de microprocesoare din lume. Ceea ce îl face special este că microcontrolerul este un micro-PC - un întreg computer într-un singur cip. Imaginați-vă un computer de mărimea, să zicem, a unui ban. Acesta este MK.

Microcontrolerele sunt folosite peste tot: în televizoare moderne, frigidere, tablete și sisteme de securitate. Oriunde ceva trebuie controlat, un microcontroler își poate găsi locul. Și totul datorită faptului că, ca orice microprocesor, MK poate fi programat. Ca rezultat, același tip de cip poate fi utilizat în sute de dispozitive diferite.

În prezent, cele mai populare sunt, de exemplu, microcontrolerele AVR, PIC, ARM. Fiecare dintre companiile care produce tipurile de microcontrolere enumerate produce zeci, dacă nu sute, de varietăți de microcontrolere concepute pentru toate sarcinile imaginabile și de neconceput.

Cum funcționează un microcontroler?

În ciuda complexității designului unui microcontroler real, puteți spune cum funcționează acesta într-o singură propoziție: „Textul programului este scris în memoria microcontrolerului, MK citește comenzile din acest program și le execută”, asta este toate.

Desigur, MK nu poate executa nicio comandă. Are un set de bază de comenzi pe care le înțelege și știe să le execute. Combinând aceste comenzi, puteți obține aproape orice program cu care dispozitivul va face exact ceea ce doriți să facă.

În lumea modernă, un microprocesor (MK este și un microprocesor, dar specializat) poate avea fie o mulțime de comenzi de bază, fie foarte puține. Aceasta este o astfel de diviziune condiționată pentru care au fost inventați chiar doi termeni: CISC și RISC. CISC sunt multe tipuri diferite de comenzi pentru toate ocaziile, RISC este doar comenzile cele mai necesare și mai frecvent utilizate, de exemplu. set redus de comenzi.

Majoritatea microcontrolerelor sunt RISC. Acest lucru se explică prin faptul că, atunci când se utilizează un set redus de comenzi, microcontrolerele sunt mai simple și mai ieftine de produs și sunt mai ușor și mai rapid de stăpânit pentru dezvoltatorii de hardware. Există multe diferențe între CISC și RISC, dar deocamdată singurul lucru important de reținut este că CISC are multe comenzi, RISC are puține comenzi. Vom arunca o privire mai profundă asupra acestor două idei altădată.

Ce se întâmplă când microcontrolerul pornește?

Deci, să ne imaginăm o lume ideală în care aveți un MK și un program a fost deja înregistrat în memoria sa. Sau, așa cum se spune de obicei, MK este „flash” (în acest caz, programul se numește „firmware”) și este gata de luptă.

Ce se întâmplă când alimentați circuitul dvs. MK? Nu se dovedește nimic deosebit. Nu există deloc magie acolo. Se vor întâmpla următoarele:

După ce este aplicată alimentarea, microcontrolerul va merge să se uite la ceea ce este în memorie. În același timp, el „știe” unde să caute pentru a găsi prima comandă a programului său.

Locația de început a programului este stabilită în timpul producției MK și nu se schimbă niciodată. MK numără prima comandă, o execută, apoi numără a doua comandă, o execută, apoi a treia și așa mai departe până la ultima. Când numără ultima comandă, totul va începe din nou, deoarece MK execută programul în cerc, dacă nu i s-a spus să se oprească. Deci așa funcționează.

Dar acest lucru nu vă împiedică să scrieți programe complexe care vă ajută să controlați frigiderele, aspiratoarele, mașinile industriale, playerele audio și mii de alte dispozitive. De asemenea, puteți învăța cum să creați dispozitive cu MK. Va fi nevoie de timp, dorință și puțini bani. Dar astea sunt lucruri atât de mici, nu?

Cum funcționează un MK tipic?

Orice sistem cu microprocesor se bazează pe trei piloni:

1. CPU(ALU + dispozitiv de control),
2. Memorie(ROM, RAM, FLASH),
3. Porturi I/O .

Procesorul, folosind porturile I/O, primește/trimite date sub formă de numere, efectuează diverse operații aritmetice asupra acestora și le stochează în memorie. Comunicarea dintre procesor, porturi și memorie are loc prin fire numite obosi(anvelopele sunt împărțite în mai multe tipuri în funcție de scop) . Aceasta este ideea generală a modului în care funcționează sistemul MP. Ca in poza de mai jos.

MK, așa cum am scris deja, este și un microprocesor. Doar specializat. Structura fizică a microcircuitelor MK de diferite serii poate diferi semnificativ, dar ideologic vor fi similare și vor avea, de exemplu, blocuri precum: ROM, RAM, ALU, porturi de intrare/ieșire, temporizatoare, contoare, registre.

ROM	Memoria permanentă. Tot ceea ce este scris pe acesta rămâne în ROM chiar și după ce dispozitivul a fost deconectat de la sursa de alimentare.
RAM	Memoria temporară. RAM este memoria de lucru a MK. Toate rezultatele intermediare ale executării comenzii sau datele de la dispozitive externe sunt plasate în el.
ALU	Creierul matematic al unui microcontroler. El este cel care adună, scade, înmulțește și, uneori, împarte, compară zerouri și unu în procesul de execuție a comenzilor programului. Unul dintre cele mai importante organe ale MK.
Porturi I/O	Doar dispozitive pentru comunicarea MK cu lumea exterioară. Fără ele, nu puteți scrie în memoria externă și nici nu puteți primi date de la senzor sau tastatură.
Cronometre	Ai gatit prajitura sau pui? Ai setat un cronometru pentru a te anunța când vasul este gata? În MK, cronometrul îndeplinește funcții similare: numără intervalele, emite un semnal când este declanșat etc.
Contoare	Sunt utile atunci când trebuie să numărați ceva.
Registrele	Cel mai de neînțeles cuvânt pentru cei care au încercat măcar o dată să stăpânească pe cont propriu Assembler. Și apropo, acţionează ca RAM rapid pentru MK. Fiecare registru este un fel de celulă de memorie. Și în fiecare MK există doar câteva zeci.

Scara modernă de dezvoltare a electronicii digitale este atât de enormă încât chiar și pentru fiecare articol din acest tabel puteți scrie o carte întreagă, sau chiar mai multe. Voi descrie ideile de bază care vă vor ajuta să înțelegeți în mod independent și mai în detaliu fiecare dintre dispozitive.

Creierul microcontrolerului

Microprocesorul/microcontrolerul funcționează întotdeauna conform programului încorporat în el. Programul constă dintr-o secvență de operații pe care MK le poate efectua. Operațiile sunt efectuate în CPU - acesta este creierul microcontrolerului. Acesta este organul care poate efectua operații aritmetice și logice cu numere. Dar mai sunt patru operațiuni importante pe care le poate face:

• citirea dintr-o celulă de memorie
• scrierea într-o celulă de memorie
• citiți din portul I/O
• scrieți pe portul I/O

Aceste operațiuni sunt responsabile pentru citirea/scrierea informațiilor în memorie și dispozitive externe prin porturile I/O. Și fără ele, orice procesor se transformă într-un gunoi inutil.

Din punct de vedere tehnic, procesorul este format dintr-un ALU (calculator procesor) și o unitate de control care gestionează interacțiunea dintre porturile I/O, memorie și o unitate logică aritmetică (ALU).

Memoria microcontrolerului

Anterior, în tabelul cu dispozitivele tipice incluse în MK, am indicat două tipuri de memorie: ROM și RAM. Diferența dintre ele este că în ROM datele sunt salvate între pornirea dispozitivului. Dar, în același timp, ROM-ul este o memorie destul de lentă. De aceea există RAM, care este destul de rapidă, dar poate stoca date doar atunci când dispozitivul este alimentat. Merită să opriți dispozitivul și toate datele sunt de acolo... nimic.

Dacă ai un laptop sau un computer personal, atunci ești familiarizat cu această situație: ai scris un munte de text, ai uitat să-l salvezi pe hard disk și brusc s-a oprit electricitatea. Porniți computerul, dar nu există text. Asta e corect. În timp ce îl scriai, a fost stocat în RAM. De aceea textul a dispărut când computerul a fost oprit.

În lumea străină, RAM și ROM se numesc RAM și ROM:

1. RAM (Random Access Memory) - memorie cu acces aleatoriu
2. ROM (Read Only Memory) - memorie doar pentru citire

La noi se mai numesc memorie volatilă și nevolatilă. Care, după părerea mea, reflectă mai exact natura fiecărui tip de memorie.

ROM

În zilele noastre, memoria ROM de tip FLASH (sau, după părerea noastră, EEPROM) a devenit din ce în ce mai răspândită. Vă permite să salvați date chiar și atunci când dispozitivul este oprit. Prin urmare, în MCU-urile moderne, de exemplu, în MCU AVR, memoria FLASH este folosită ca ROM.

Anterior, cipurile de memorie ROM erau programabile odată. Prin urmare, dacă a fost înregistrat un program sau date cu erori, atunci un astfel de microcircuit a fost pur și simplu aruncat. Puțin mai târziu, au apărut ROM-uri care puteau fi rescrise de multe ori. Acestea erau cipuri de șters UV. Au trăit destul de mult timp și chiar și acum se găsesc în unele dispozitive din anii 1990...2000. De exemplu, acest ROM vine din URSS.

Aveau un dezavantaj semnificativ - dacă cristalul (cel vizibil în fereastră) era iluminat accidental, programul putea fi deteriorat. Și, de asemenea, ROM-ul este încă mai lent decât RAM.

RAM

RAM, spre deosebire de ROM, PROM și EEPROM, este volatil iar când dispozitivul este oprit, toate datele din RAM se pierd. Dar niciun dispozitiv cu microprocesor nu se poate descurca fără el. Deoarece în timpul funcționării este necesar să stocați rezultatele calculelor și datele cu care procesorul lucrează undeva. ROM-ul nu este potrivit pentru aceste scopuri din cauza lentei.

MEMORIA DE PROGRAME ȘI DATE

Pe lângă împărțirea în memorie volatilă (RAM) și nevolatilă, microcontrolerele au o diviziune în memorie de date și memorie de program. Aceasta înseamnă că MK are o memorie specială care este destinată doar stocării programului MK. În vremurile moderne, acesta este de obicei un ROM FLASH. Din această memorie microcontrolerul citește comenzile pe care le execută.

Separat de memoria programului, există o memorie de date în care sunt plasate rezultatele intermediare ale muncii și orice alte date cerute de program. Memoria programului este RAM obișnuită.

Această separare este bună deoarece nicio eroare din program nu poate deteriora programul în sine. De exemplu, când din greșeală MK încearcă să scrie un număr aleatoriu în locul unei comenzi din program. Se pare că programul este protejat în mod fiabil de daune. Apropo, această divizie are propriul nume special - „Arhitectura Harvard”.

În anii 1930, guvernul SUA a însărcinat să se dezvolte universitățile Harvard și Princeton arhitectură Calculator pentru artilerie navală. La sfârșitul anilor 1930, la Universitatea Harvard, Howard Aiken s-a dezvoltat arhitectură computer Mark I, numit de acum înainte după această universitate.

Mai jos am descris schematic arhitectura Harvard:

Astfel, programul și datele cu care lucrează sunt stocate fizic în locuri diferite. În ceea ce privește sistemele cu procesoare mari, cum ar fi un computer personal, datele și programul sunt stocate în același loc în timp ce programul rulează.

IERARHIA MEMORIEI

CUM ESTE SEMNAT CREIERUL UNUI MICROCONTROLLER

Știți deja că creierul MK este CPU - unitatea centrală de procesare, care constă dintr-o ALU (unitate aritmetică-logică) și o unitate de control (CU). Unitatea de control controlează întreaga orchestră din memorie, dispozitive externe și ALU. Datorită lui, MK poate executa comenzi în ordinea pe care o dorim.

ALU este un calculator, iar unitatea de control îi spune ALU ce, cu ce, când și în ce secvență să calculeze sau să compare. ALU poate adăuga, scădea, uneori împărți și înmulți și poate efectua operații logice: AND, OR, NOT (mai multe despre ele puțin mai târziu)

Orice computer, inclusiv MK, poate funcționa astăzi doar cu numere binare formate din „0” și „1”. Această idee simplă a dus la revoluția electronică și la dezvoltarea explozivă a tehnologiei digitale.

Să presupunem că ALU trebuie să adauge două numere: 2 și 5. În formă simplificată, va arăta astfel:

În acest caz, unitatea de control știe în ce locație de memorie să ia numărul „2”, în care numărul „5” și în ce locație de memorie să plaseze rezultatul. Unitatea de control știe despre toate acestea deoarece a citit despre el în comanda din program pe care o citește în prezent în program. Vă voi spune mai detaliat despre operațiile arematice cu numere binare și despre cum funcționează sumatorul ALU din interior puțin mai târziu.

Ei bine, spuneți, ce se întâmplă dacă trebuie să obțineți aceste numere nu din program, ci din exterior, de exemplu, de la un senzor? Ce ar trebuii să fac? Aici intră în joc porturile I/O, cu ajutorul cărora MK poate primi și transmite date către dispozitive externe: afișaje, senzori, motoare, supape, imprimante etc.

OPERAȚII LOGICE

Probabil că ești foarte familiarizat cu gluma despre „logica feminină”? Dar nu vom vorbi despre asta, ci despre logică în principiu. Logica operează cu relații cauză-efect: dacă soarele a răsărit, atunci a devenit lumină. Cauza „răsăritul soarelui” a provocat efectul „a devenit lumină”. Mai mult, putem spune „ADEVRAT” sau „FALSE” despre fiecare afirmație.

De exemplu:

• „Păsările înoată sub apă” este o minciună
• „Apa este umedă” - la temperatura camerei, această afirmație este adevărată

După cum ați observat, a doua afirmație poate fi adevărată sau falsă în anumite condiții. Calculatorul nostru are doar numere, iar inginerii și matematicienii au venit cu ideea de a desemna adevărul ca „1” și fals ca „0”. Acest lucru a făcut posibil să scrieți adevărul unei afirmații sub formă de numere binare:

• „Păsările înoată sub apă” = 0
• „Apa este umedă” = 1

Și o astfel de notație a permis matematicienilor să efectueze operații întregi cu aceste afirmații - operații logice. George Boole a fost primul care s-a gândit la asta. După care această algebră este numită: „Algebră booleană”, care s-a dovedit a fi foarte convenabilă pentru mașinile digitale.

A doua jumătate a ALU este operațiuni logice. Ele vă permit să „comparați” afirmațiile. Există doar câteva operații logice de bază: AND, OR, NOT - dar acest lucru este suficient, deoarece dintre aceste trei pot fi combinate altele mai complexe.

Operație logică ȘI denota simultaneitatea afirmatiilor, i.e. că ambele afirmații sunt adevărate în același timp. De exemplu declarație va fi adevărată numai dacă ambele afirmații mai simple sunt adevărate. În toate celelalte cazuri, rezultatul operației logice AND va fi fals.

Operație logică SAU va fi adevărată dacă cel puțin una dintre afirmațiile implicate în operațiune este adevărată. „Păsările înoată sub apă” și „Apa este umedă” adevărat, deoarece afirmația „apa este umedă” este adevărată

Operație logică NU schimbă adevărul unei afirmații în sensul său opus. Aceasta este o negație logică. De exemplu:

Soarele răsare în fiecare zi = ADEVĂRAT

NOT (Soarele răsare în fiecare zi) = NU TRUE = FALS

Datorită operațiilor logice, putem compara numerele binare și, deoarece numerele noastre binare înseamnă întotdeauna ceva, de exemplu, un semnal. Se pare că datorită algebrei booleene putem compara semnale reale. Aceasta este ceea ce face partea logică a ALU.

DISPOZITIV DE INTRARE/IESIIRE

MK-ul nostru trebuie să comunice cu lumea exterioară. Abia atunci va fi un dispozitiv util. În acest scop, MK dispune de dispozitive speciale numite dispozitive de intrare/ieșire.
Datorită acestor dispozitive, putem trimite semnale de la senzori, tastaturi și alte dispozitive externe către microcontroler. Și după procesarea unor astfel de semnale, MK va trimite un răspuns prin dispozitivele de ieșire, cu care va fi posibilă reglarea vitezei de rotație a motorului sau a luminozității lămpii.

Lasă-mă să rezum:

1. Electronică digitală - vârful aisbergului electronic
2. Un dispozitiv digital știe și înțelege doar numerele
3. Orice informație: mesaj, text, video, sunet, poate fi codificată folosind numere binare
4. Un microcontroler este un microcomputer pe un singur cip
5. Orice sistem cu microprocesor este format din trei părți: procesor, memorie, dispozitive de intrare/ieșire
6. Procesorul este format dintr-un ALU și o unitate de control
7. ALU poate efectua operații aritmetice și logice cu numere binare

Stai cu noi. În articolele următoare vă voi spune mai detaliat cum sunt aranjate memoria MK, porturile I/O și ALU. Și după aceea vom merge și mai departe și în cele din urmă vom ajunge la electronica analogică.

p.s.
Ați găsit o greșeală? Spune-mi!

/blog/tsifrovaya-elektronika-chto-eto/ În această poveste, primii pași în lumea electronicii sunt făcuți dintr-o direcție neobișnuită. Începeți călătoria prin electronică cu lumea circuitelor digitale, cu microcontrolere 2016-11-17 2016-12-26 electronică digitală, circuite digitale, microcontroler, elemente logice

Mare radioamator și designer de programe

Am vorbit despre elemente logice - „blocurile de bază” care alcătuiesc fundația tehnologiei digitale și scopurile lor. În această postare voi vorbi mai detaliat despre utilizarea microcircuitelor digitale care conțin elemente logice.

Cele mai simple scheme

Prima schemă este cea mai simplă prelevator pentru testarea circuitelor electrice. Folosind această sondă, puteți determina fiabilitatea contactului electric, puteți găsi un circuit deschis și puteți verifica funcționarea rezistențelor și a diodelor și tranzistoarelor semiconductoare.

Schema unei sonde pentru testarea continuității unui circuit electric.

Să descriem munca lui. Când sondele XT sunt deschise, la intrările elementului logic DD1 este setat un nivel de tensiune logic ridicat în raport cu firul comun. În consecință, ieșirea elementului DD1 va avea un nivel logic scăzut, în timp ce LED-ul VD1 nu se va aprinde. Dacă sondele sunt conectate între ele, atunci intrarea DD1 va avea un nivel logic scăzut, iar ieșirea va fi ridicată. O diodă strălucitoare va indica faptul că ieșirile sunt închise una față de cealaltă. Astfel, atunci când sondele sunt conectate la un circuit de lucru, LED-ul se va aprinde, iar dacă LED-ul nu se aprinde, înseamnă că există un circuit deschis în circuit.

Următoarea diagramă de mai jos este sondă logică. Este destinat să determine nivelul logic de tensiune în circuitele electrice ale dispozitivelor digitale.

Circuitul sondei logice.

În starea inițială, la intrările elementului logic DD1 și la ieșirea DD2 este setat un nivel logic ridicat și, în consecință, LED-ul VD1 este aprins. Când LED-urile sunt conectate la un circuit cu un nivel logic ridicat, LED-ul VD1 continuă să se aprindă, iar când apare un nivel logic scăzut la intrarea DD1, LED-ul VD1 se va stinge corespunzător.

O poveste ulterioară despre utilizarea microcircuitelor digitale nu este posibilă fără cunoștințe dispozitiv intern microcircuite digitale TTL și CMOS și a acestora caracteristici de transmisie.

Structura internă a cipurilor digitale TTL

Toate familiile de cipuri digitale se bazează pe elemente logice de bază. Pentru toate microcircuitele din familia TTL, un astfel de element este elementul 2I-NU, care are următoarea structură internă. Mai jos este o diagramă a elementului 2I-NOT și a răspunsului său tranzitoriu

Schema elementului de bază TTL 2I-NOT și răspunsul său tranzitoriu.

La intrarea elementului este tranzistor multi-emițător VT1 atunci treapta de amplificare pe tranzistorul VT2 și etapă de ieșire push-pull pe tranzistoarele VT3, VT4.

Să descriem funcționarea elementului logic 2I-NOT. În starea inițială, tensiunea de intrare nu depășește 0,5 V, iar joncțiunea emițătorului tranzistorului VT1 este deschisă, această tensiune nu este suficientă pentru a transfera joncțiunea colectorului în starea deschisă, același lucru se aplică joncțiunilor emițătorului tranzistoarelor VT2, VT4. Prin urmare, acești tranzistoare sunt închise, iar tranzistorul VT3 este deschis, de tensiunea care vine de la R2. Dioda VD3 se dovedește a fi deschisă, iar tensiunea la ieșirea elementului este de aproximativ 3...4 V ( punctul A). Când tensiunea la emițătorii lui VT1 începe să crească, tranzistorul VT2 începe să se deschidă, iar tranzistorul VT3 se închide ușor ( secțiunea A – B). O creștere suplimentară a tensiunii pe tranzistorul de intrare duce la faptul că tranzistorul VT2 se deschide și mai mult, crește și tensiunea pe R3 și se deschide tranzistorul VT4. Ca rezultat, joncțiunea emițătorului tranzistorului VT4 ocolește rezistorul R3, iar tranzistorul VT2 se deschide brusc, iar tensiunea la ieșirea elementului scade. In acest moment ( secțiunea B-C) toți tranzistoarele sunt deschise și în modul activ. Dacă continuați să creșteți tensiunea de intrare, atunci tranzistoarele VT2 și VT4 vor intra în modul de saturație ( secțiunea B-D), iar tranzistorul VT3 se va închide și tensiunea de ieșire va deveni egală cu tensiunea de saturație a tranzistorului VT4, iar curentul va fi limitat de rezistența R4.

Secțiunea B – C poate fi utilizat răspunsul tranzitoriu pentru procesarea semnalului analogic, în acest mod răspunsul tranzitoriu are o liniaritate ridicată și un consum maxim de energie.

Design intern al cipurilor digitale CMOS

La fel ca în familia TTL, cipurile CMOS elementul de bază este 2I-NU, a cărei structură internă este prezentată mai jos

Schema elementului de bază 2I-NOT CMOS și răspunsul său tranzitoriu.

Acest element logic operează tranzistoare cu efect de câmp complementare. Tranzistoare cu canal de tip p (VT1, VT2) conectat la conductorul pozitiv al sursei de alimentare, cu canal de tip n (VT3, VT4) conectate în serie.

La o tensiune de intrare de 2 V sau mai puțin, tranzistoarele VT1 și VT2 sunt deschise, deoarece tensiunea în secțiunile poartă-sursă (cu o tensiune de alimentare de 9 V) este de cel puțin 7 V. Tensiunea în aceleași secțiuni ale tranzistoarelor VT3 iar VT4 este insuficient pentru a le deschide, prin urmare la ieșirea elementului va exista o tensiune aproape egală cu tensiunea de alimentare, adică aproximativ 9 V ( punctul A). Pe măsură ce tensiunea de intrare crește, tranzistoarele încep să se deschidă, iar VT1 și VT2 încep să se închidă. Pe secțiunea A – B acest proces are loc relativ lin și secțiunea B-C este mai rapid și mai liniar. La punctul B tranzistoarele VT1 și VT2 sunt aproape complet închise, iar VT3 și VT4 sunt deschise. Tensiunea de ieșire în acest caz este mică și, cu o creștere suplimentară a tensiunii de intrare până la nivelul sursei de alimentare, tinde spre zero ( punctul G).

Element logic în mod liniar

Utilizarea elementelor logice ale microcircuitelor digitale pentru lucrul cu semnale analogice este posibilă numai dacă acestea modul este comutat pe liniar sau aproape de ea. Deci în modul liniar element TTL este echivalent cu un amplificator cu un câștig de 10 ... 15 (aproximativ 20 dB) și element CMOS– un amplificator cu un câștig de 10 ... 20 (20 ... 26 dB).

Ieșirea unui element logic în modul liniar: de la stânga la dreapta prin curent, tensiune, feedback.

Sunt utilizate diferite metode pentru a scoate un element logic într-o secțiune liniară. Una dintre ele se bazează pe incluziune la intrarea rezistorului elementului TTL R. Acest rezistor va face ca un curent să curgă prin joncțiunea emițătorului tranzistorului de intrare al elementului TTL. Schimbând rezistența rezistorului extern, puteți modifica tensiunea la ieșirea elementului, adică modificați poziția punctului său de funcționare pe caracteristica de transfer. Pentru elemente TTL Rezistența unui astfel de rezistor extern variază de la 1 kOhm la 3 kOhm. Cu toate acestea, această metodă nu se aplică pentru cipurile CMOS, deoarece funcționează fără curenți de ieșire (există curenți de scurgere, dar sunt mici și instabili).

A doua modalitate de a aduce un element logic în modul de operare poate fi prin aplicare la intrarea tensiunii corespunzătoare, de exemplu folosind divizor rezistiv. Da, pentru elemente TTL mijlocul secţiunii liniare a caracteristicii de transfer îi corespunde tensiune de intrare 1,5…1,8 V, si pentru CMOS 3...6 V(la tensiunea de alimentare 9 V). Pentru diferite elemente logice, această tensiune nu este aceeași, deci este selectată experimental. Valorile rezistențelor de intrare sunt alese astfel încât curenții de intrare ai elementelor să nu afecteze tensiunea îndepărtată din divizorul rezistiv.

A treia metodă este cea mai eficientă pentru aceasta creați feedback negativ (NF) prin curent continuu între intrarea și ieșirea elementului, datorită căruia punctul de funcționare este menținut automat în porțiunea necesară a caracteristicii de transfer și nu necesită o selecție atentă a rezistențelor externe. Această metodă este implementată pentru elemente logice cu inversare semnal de intrare: NU, ȘI-NU, SAU-NU.

Rezistenţă rezistență în circuitul OOS sunt selectate pe baza furnizării elementului cu curentul de intrare necesar. Pentru elemente CMOS se ridică la de la câțiva kilo-ohmi la zeci de mega-ohmi, si pentru TTL – de la zeci de ohmi la 1 kOhm. Dar utilizarea OOS reduce câștigul elementului.

Amplificatoare logice

Pentru a utiliza elemente logice ca amplificatoare de semnal, este necesar să aduceți punctul de funcționare la secțiunea liniară a caracteristicii de transfer. Principalele caracteristici ale unor astfel de amplificatoare sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Serie	Sistem ieșire către liniar modul	Pentru noi, dB	Fmax, MHz	consum R mW	ieși, ÎN	Rin, kOhm	R out, kOhm	R1, kOhm	R2, kOhm
K155	OOC	18	40	20	1,2	0,6	0,05	0,68	0,68
	Actual	21				0,8		1,9	—
K176	OOC	25	5,5	5 … 20	1,5	0,4	0,05	7,5	5,1
	Actual	17	3 … 4		5,0	3,5	6	6,2	4
561	OOC	25				1000	7	1000	1000

Circuitul celui mai simplu amplificator bazat pe un element TTL este prezentat mai jos. Reglarea amplificatorului se reduce la setarea punctului de funcționare al elementului cu rezistența de reglare R1 în mijlocul secțiunii liniare a caracteristicii de transfer.

Cel mai simplu amplificator bazat pe un element TTL

Dezavantajul amplificatoarelor simple este impedanță de intrare scăzută, ceea ce limitează domeniul lor de aplicare. În plus, câștigul este mic. Acest dezavantaj este eliminat prin utilizarea lui împreună cu tranzistoare. Câștigul este mărit prin conectarea mai multor trepte în serie. În plus, cipul digital conține mai multe elemente identice, ceea ce face posibilă crearea de amplificatoare multicanal. Un exemplu este diagrama prezentată mai jos. Principalele caracteristici ale amplificatorului: câștig – 50; impedanța de ieșire 50 Ohm, impedanța de intrare 5 kOhm, frecvența limită superioară 40 MHz.

Circuit amplificator cu un tranzistor la intrare

Elementele CMOS pot fi utilizate și pentru amplificatoare, circuitul unuia dintre ele este prezentat mai jos. Un dezavantaj comun al amplificatoarelor CMOS este impedanță de ieșire ridicată. Poate fi eliminat prin instalarea unui element logic la ieșire adept emițător pe tranzistor și conectarea acestuia la circuitul OOS.

Circuite amplificatoare bazate pe elemente CMOS.

Dispozitive de prag bazate pe elemente logice

Dispozitive de prag, numite comparatoare, sunt concepute pentru a converti un semnal analogic în informații digitale. Cel mai simplu dispozitiv de prag este declanșatorul Schmitt, care este descris în acest articol. Pe lângă generarea de impulsuri și restabilirea semnalelor digitale, dispozitivele de prag sunt utilizate în convertoare analog-digitale și generatoare de impulsuri de diferite forme.

Diagrama unui dispozitiv de prag bazat pe elemente logice.

În general, elementul logic este în sine un dispozitiv de prag, dar acesta caracteristica de transfer nu complet liniară. Pentru a crește liniaritatea caracteristicii de transfer a unui element logic, acesta trebuie acoperit feedback pozitiv (POF) prin curent continuu prin rezistorul R2. În acest caz, se transformă într-un fel de declanșatorul Schmitt cu capacitatea de a regla tensiunile de prag. Lățimea buclei de histerezis(diferența dintre tensiunile de prag) depinde de raportul dintre valorile rezistențelor R1 și R2. Sensibilitatea depinde și de aceste rezistențe. Pe măsură ce R2 crește și R1 scade, sensibilitatea crește și lățimea buclei de histerezis scade. Pentru cipuri TTL rezistența R1 = 0,1 ... 2 kOhm, iar R2 = 2 ... 10 kOhm. Dispozitivele de prag bazate pe elemente CMOS sunt extrem de economice, dar dezavantajul este sensibilitatea scăzută. Pentru cipuri CMOS R1 este de câteva zeci de kilo-ohmi, iar R2 este de câteva sute de kilo-ohmi.

Generatoare bazate pe elemente logice

Microcircuitele digitale sunt utilizate pe scară largă în scheme de circuit ale diverselor generatoare cu frecvențe de la fracțiuni de hertz la zeci de megaherți și o mare varietate de forme de puls. În general, generatoarele reprezintă o etapă de amplificare sau mai multe, care este acoperită feedback dependent de frecvență. Circuitele RC, LC, RLC, precum și rezonatoarele piezoceramice și de cuarț sunt utilizate ca astfel de circuite.

Prezentat mai jos circuit generator cu circuit dependent de frecvență RC. Funcționarea acestui generator este asociată cu procesele de încărcare și descărcare ale condensatorului C1 prin rezistorul R1.

Circuit oscilator RC

În acest circuit generator, un OOS este implementat prin rezistența R1, care pune elementul logic în modul liniar, iar un POS dependent de frecvență este implementat prin condensatorul C1. Acest generator folosește atât elemente TTL, cât și CMOS. Rezistența rezistorului R1 este selectată în același mod ca pentru treapta de amplificare cu OOS, iar capacitatea condensatorului este selectată în funcție de frecvența de oscilație necesară. Frecvența de generare poate fi determinată folosind formula aproximativă

F\aproximativ\frac(0,7)(RC)

Când funcționează, un astfel de generator produce impulsuri pătrate cu un duty cycle aproximativ egal cu 2. Frecvența maximă de generare este limitată de valoarea întârzierii de comutare a elementelor logice, deci pt. cipuri CMOS frecvența maximă este 2…4 MHz, si pentru TTL- niste zeci de MHz.

Folosind cipuri digitale puteți obține, de asemenea generator de undă sinusoidală, în acest scop este necesară utilizarea Circuit LC. Diagrama unui astfel de generator este prezentată mai jos.

Circuit oscilator LC

Atât seriale cât și paralelele sunt utilizate ca comunicații dependente de frecvență circuit oscilator, dar în orice caz frecvența de oscilație va corespunde formula lui Thompson

F=\frac(1)(2 \pi \sqrt(LC))

Rezistența rezistenței R1 este selectată în același mod ca pentru treapta amplificatorului.

Dezavantajul generatoarelor descrise mai sus este stabilitatea scăzută a frecvenței generate. Pentru a-l crește, se folosesc rezonatoare piezoceramice și cuarț, inclusiv a acestora în circuitul de feedbackîn locul unui condensator sau circuit oscilant.

Circuit generator cu stabilizare a frecvenței cu quartz

Teoria este bună, dar fără aplicare practică sunt doar cuvinte.