Manual: Circuite digitale. Un anumit sistem de funcții logice va fi complet dacă conține. conform tehnologiei de fabricatie

Ministerul Federației Ruse

Universitatea Politehnică din Tomsk

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

INGINERIA CIRCUITURILOR DIGITALE

Tutorial

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Circuite digitale. Manual indemnizatie. Partea 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 transmisie și procesare a informațiilor sunt realizate pe dispozitive digitale, complet sau parțial. Prin urmare, cunoașterea principiilor de utilizare a 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 de semnale 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 asigurare a stabilităţii şi acurateţei controlului.

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 proces 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 sale corecte). 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). Codificarea este procedura de conversie a unui mesaj într-un semnal. În acest caz, transformările sunt efectuate în funcție de anumite reguli, totalitatea cărora numit cod.

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, asigură 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 determinată în mare măsură de canalele de comunicare utilizate. Sub imunitatea la zgomot se referă la capacitatea unui sistem(semnal, cod) își îndeplinește corect 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; limitare în spectrul de nivel și 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 (IID) 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 imunitatea crescută la zgomot semnale.

Pe partea de recepție, semnalele codificate primite de la linia de comunicație sunt din nou convertite de dispozitivul de decodare (DCU) în semnale primare. În același timp, erorile în semnalele recepționate sunt detectate și pot fi corectate 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. În aceeași memorie este stocat și programul de procesare a informațiilor primite.

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 anumite adrese (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 unitate logică aritmetică 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.

Figura 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 ieșire de date, 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 de cronometru care setează frecvența de ceas a sistemului și, în cele din urmă, determină performanța acestuia, decodoare de coduri de comandă, matrici 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 își îmbunătățesc, în primul rând 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 de telefonie 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, ieșire și intermediare (interne) sunt continue și sunt 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 aranjathstvami neacțiune intermitentă.

Dispozitive discrete sau dispozitive acțiune discretă 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 valorile 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 domeniul principal 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 circuit integrat(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 functionalaînțelege o creștere a numărului de funcții implementate (realizate) de un anumit dispozitiv. În acest caz, dispozitivul este considerat ca întreg, indivizibil. A int constructivegraţie este o creștere a numărului de componente dintr-un dispozitiv, considerat ca întreg. Un exemplu de dispozitiv microelectronic cu un grad ridicat de integrare structurală și funcțională este microprocesor(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(algebra logicii, algebra 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 analogic 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 vor fi efectuate 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;

Si logica de injectie de 2 L si 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 circuit integrat 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 cu privire la 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 funcție(e) 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 sunt determinate în mod unic de valorile semnalelor de intrare în același moment. 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 acțiune simplă. 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.

Documente similare

Obiectivele cursului sunt de a studia baza de circuite a calculatoarelor moderne, sistemelor de calcul și rețelelor. Principalele generații de dezvoltare a circuitelor computerizate. Elemente analogice și discrete. Metode de prezentare a informațiilor digitale, tipuri de codare.

prelegere, adăugată 17.02.2011

Microelectronica este o direcție independentă științifică, tehnică, tehnologică, etape istorice. Circuite integrate digitale: fundamente logice, codificare semnal, clasificare; dezvoltare, producție, perspective de dezvoltare și aplicare.

tutorial, adăugat 11/11/2010

Principalele avantaje ale sistemelor de comunicații digitale în comparație cu cele analogice. Principiile de funcționare ale dispozitivelor discrete, caracteristicile construcției lor. Dispozitiv generator de impulsuri, sinteză de contor, multiplexor și decodor. Dezvoltarea unei mașini asincrone.

lucrare curs, adaugat 21.11.2012

Caracteristicile sistemelor de transmisie prin fibră optică. Selectarea diagramei bloc a VOSP digital. Dezvoltarea stației terminale a sistemului de comunicații, modulatoare AIM. Principii de construire a dispozitivelor de codificare și decodare. Calculul parametrilor principali ai unui traseu liniar.

teză, adăugată 20.10.2011

Circuite integrate: informare, clasificare, desemnare grafică, marcare. Simboluri ale microcircuitelor, parametri electrici de bază, elemente logice de bază. Registre, contoare, decodore, declanșatoare, dispozitive de protecție.

prelegere, adăugată 20.01.2010

Circuite integrate, semnale. Tact de funcționare a unui dispozitiv digital. Marcarea microcircuitelor digitale fabricate în Rusia. Bazele producției de circuite integrate digitale. Tipuri de circuite integrate digitale. Circuitul procesorului central.

prezentare, adaugat 24.04.2016

Caracteristicile și domeniul de aplicare al semnalelor în sistemele de procesare digitală. Procesor de semnal digital specializat SPF SM: dezvoltatori și istoric, structură și caracteristici, domeniul de aplicare, algoritmi și software.

lucrare de curs, adăugată 12.06.2010

Circuite integrate. Substraturi pentru microcircuite cu peliculă groasă. Conductoare și rezistențe cu peliculă groasă. Proprietățile de bază ale filmelor rezistive. Rezistivitatea unei pelicule groase continue. Transfer de curent electric printr-o structură de peliculă groasă.

rezumat, adăugat la 01.06.2009

Principii hardware pentru construirea dispozitivelor cu tehnologie microprocesor și dobândirea de abilități practice în dezvoltarea sistemelor cu microprocesor. Caracteristicile tehnice ale microprocesorului ATmega și analiza cipului de memorie. Diagrama sistemului cu microprocesor.

lucrare de curs, adăugată 19.11.2011

Prelucrarea semnalului digital și utilizarea sa în sistemele de recunoaștere a vorbirii, semnale discrete și metode de conversie a acestora, elementele de bază ale filtrării digitale. Implementarea sistemelor de recunoaștere a vorbirii, procesare homomorfă a vorbirii, interfață de înregistrare și redare.

Studiul circuitelor digitale trebuie să înceapă cu teoria automatelor. În acest articol puteți găsi câteva lucruri de bază care vă vor ajuta să nu vă pierdeți în articolele ulterioare. Am încercat să fac articolul ușor de citit și sunt încrezător că un cititor neinstruit îl va putea înțelege cu ușurință.

Semnal- un mediu de stocare a materialelor utilizat pentru transmiterea mesajelor printr-un sistem de comunicații. Un semnal, spre deosebire de mesaj, poate fi generat, dar recepția lui nu este necesară (mesajul trebuie acceptat de partea care primește, altfel nu este un mesaj, ci doar un semnal).

Articolul discută despre un semnal digital discret. Acesta este un semnal care are mai multe niveluri. Evident, un semnal binar are două niveluri - și sunt luate ca 0 și 1. Când un nivel ridicat este notat cu unu și un nivel scăzut cu zero, o astfel de logică se numește pozitivă, altfel negativă.

Un semnal digital poate fi reprezentat ca o diagramă de timp.

În natură, semnalele discrete nu există, așa că sunt înlocuite cu cele analogice. Un semnal analogic nu poate trece de la 0 la 1 instantaneu, așa că un astfel de semnal are o margine înainte și o margine descendentă.
Dacă îl desenezi într-un mod simplificat, arată astfel:

1 - nivel scăzut al semnalului, 2 - nivel ridicat al semnalului, 3 - creștere a semnalului (margine), 4 - scădere a semnalului (tăieri)

Semnalele pot fi convertite. În acest scop, în practică, se folosesc elemente logice, iar pentru a nota acest lucru formal se folosesc funcții logice. Iată pe cele principale:

Negație - inversează semnalul.
Pe diagrame este indicat astfel:

SAU logic (adunare, disjuncție logică)

Pe diagramă:

ȘI logic (înmulțire logică, conjuncție)

Pe diagramă:

Ultimele două pot avea o ieșire negativă (NAND, NOR). Valorile funcțiilor lor logice sunt inversate, iar rezultatul este desenat ca un cerc în diagramă.

Un tabel rezumat al funcțiilor logice a două argumente arată astfel:

Lucrul cu funcții logice se bazează pe legile algebrei logice, ale căror elemente de bază sunt prezentate în fișierul atașat. Există, de asemenea, sarcini pentru autocontrol și întrebări de control pe această temă.

Proiectarea circuitelor logice folosind funcții de algebră logică

Circuit logic este un ansamblu de elemente electronice logice legate între ele în așa fel încât să fie îndeplinită o anumită lege de funcționare a circuitului, cu alte cuvinte, este îndeplinită o funcție logică dată.
Pe baza dependenței semnalului de ieșire de semnalul de intrare, toate circuitele logice electronice pot fi împărțite în:

Scheme de primul fel, adică circuite combinaţionale, al cărui semnal de ieșire depinde numai de starea semnalelor de intrare în fiecare moment de timp;

Scheme de al doilea fel sau circuite de acumulare(sistem secvenţial), care conțin circuite de acumulare ( elemente cu memorie), al cărui semnal de ieșire depinde atât de semnalele de intrare, cât și de starea circuitului în momentele anterioare.

In functie de numarul de intrari si iesiri, circuitele pot fi: cu o intrare si o iesire, cu mai multe intrari si o iesire, cu o intrare si mai multe iesiri, cu mai multe intrari si iesiri.

Conform metodei de sincronizare, schemele sunt împărțite în cu sincronizare externă (mașini sincrone), cu sincronizare internă(automatele asincrone sunt cazul lor special).

Aproape orice computer constă dintr-o combinație de circuite de primul și al doilea tip de complexitate variabilă. Astfel, baza oricărei mașini digitale care prelucrează informații digitale sunt elementele electronice de două tipuri: joc de inteligență sau combinaționalăȘi memorând. Elementele logice efectuează cele mai simple operații logice asupra informațiilor digitale, iar elementele de stocare servesc la stocarea acesteia. După cum știți, o operație logică constă în transformarea informațiilor digitale de intrare în ieșire conform anumitor reguli.

Putem presupune că funcțiile logice elementare sunt operatori logici ai elementelor electronice menționate, i.e. scheme Fiecare astfel de schemă este indicată printr-un simbol grafic specific. (Au fost prezentate mai sus - Elemente AND, OR, NOT, NOR-NOT, AND-NOT)

Ca exemplu, mai jos este o diagramă funcțională electrică a unui convertor logic (mașină combinată) care implementează o funcție logică într-o bază elementară de elemente logice ȘI, SAU, NU.

Pentru a consolida, îmi propun să sintetizez independent un circuit logic care implementează următoarele funcții logice:

Acest lucru se poate face, de exemplu, în Electronic workbench.

Iată un exemplu al primei sarcini finalizate:

25 aprilie 2010 la 16:16

Studiu independent de proiectare a circuitelor. Noțiuni de bază. Partea 1

Electronice pentru începători

Un semnal digital poate fi reprezentat ca o diagramă de timp.

Semnalele pot fi convertite. În acest scop, în practică, se folosesc elemente logice, iar pentru a nota acest lucru formal se folosesc funcții logice. Iată pe cele principale:

Negație - inversează semnalul.
Pe diagrame este indicat astfel:

SAU logic (adunare, disjuncție logică)

Pe diagramă:

ȘI logic (înmulțire logică, conjuncție)

Pe diagramă:

Ultimele două pot avea o ieșire negativă (NAND, NOR). Valorile funcțiilor lor logice sunt inversate, iar rezultatul este desenat ca un cerc în diagramă.

Un tabel rezumat al funcțiilor logice a două argumente arată astfel:

Proiectarea circuitelor logice folosind funcții de algebră logică

Scheme de primul fel, adică circuite combinaţionale, al cărui semnal de ieșire depinde numai de starea semnalelor de intrare în fiecare moment de timp;

In functie de numarul de intrari si iesiri, circuitele pot fi: cu o intrare si o iesire, cu mai multe intrari si o iesire, cu o intrare si mai multe iesiri, cu mai multe intrari si iesiri.

Conform metodei de sincronizare, schemele sunt împărțite în cu sincronizare externă (mașini sincrone), cu sincronizare internă(automatele asincrone sunt cazul lor special).

Pentru a consolida, îmi propun să sintetizez independent un circuit logic care implementează următoarele funcții logice:

Acest lucru se poate face, de exemplu, în Electronic workbench.

Iată un exemplu al primei sarcini finalizate:

PRELEGII

Prin disciplină

„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 specialității 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 de specialitatea 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 computerelor”.

Posibilitate de aplicare practică. Setul de prelegeri poate fi recomandat profesorilor la pregătirea și desfășurarea orelor 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 revizuit în cadrul unei ședințe a comisiei ciclului de discipline juridice și tehnologii informaționale, și recomandat pentru utilizare în cadrul colegiului (protocol nr.___ din data „____”______________________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 ulterioar 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., Zhukov 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