Логические элементы
Нижний уровень в иерархии цифровой аппаратуры занимают логические элементы. Это наименьшие функциональные части, из которых складываются цифровые устройства при их логическом проектировании и конструктивно-технологическом исполнении. Логические элементы реализуют простейшие функции или системы функций в соответствии с формулами алгебры логики (И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.).
По способу кодирования двоичных (булевых) переменных логические элементы классифицируются на:
- потенциальные (логические «0» и «1» ассоциируются с определенными, отличными друг от друга уровнями напряжения);
- импульсные (логические «0» и «1» ассоциируются, соответственно, с отсутствием и наличием импульсов напряжения или тока);
- импульсно-потенциальные (комбинируют в себе импульсный и потенциальный способы кодирования двоичных переменных).
Наиболее широкое применение из-за технологичности, надежности и простоты проектирования находят потенциальные логические элементы.
Схемотехнической основой логического элемента является базовая схема, построенная из аналоговых элементов (транзисторов, диодов, резисторов). Простейшие примеры таких схем изображены на рис.2.1 (рядом со схемами справа приведены условные графические обозначения соответствующих логических элементов, используемые для представления их в функционально-логических схемах). Представленные на рисунке вентили И-НЕ ИЛИ-НЕ могут иметь более двух входов. Маленькие кружочки на выходах элементов обозначают инвертирующие выходы.
Если выход элемента И-НЕ подать на инвертор, то получается вентиль И. Его условное обозначение совпадает с обозначением вентиля И-НЕ, только кружочек у него на выходе отсутствует. Аналогично из вентиля ИЛИ-НЕ можно получить вентиль ИЛИ.
Надо заметить, что используемые на практике базовые схемы логических элементов выглядят несколько сложнее, ибо при их проектировании, помимо реализуемой логической функции, могут приниматься во внимание нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, помехоустойчивость, среднее время задержки, предельная рабочая частота, потребляемая мощность.
К
онкретная
базовая схема определяет серию логических
элементов (серию микросхем), т.е.
совокупность логических элементов
(микросхем), отличающихся выполняемой
функцией алгебры логики, нагрузочной
способностью и, возможно, функциональным
назначением, но совместимых по архитектуре,
конструктивно-технологическому
исполнению, электрическим параметрам,
допускающим возможность их совместного
применения.
Значения основных характеристик логического элемента определяются схемотехническими и конструктивно-технологическими особенностями его реализации. Так с биполярной технологией связана транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), наиболее широко применяемая в цифровой аппаратуре, и эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), отличающаяся высоким быстродействием и значительным потреблением энергии (на рис.2.2 в качестве примера приведена одна из базовых схем ТТЛ). Более медленными, но компактными и экономными в плане потребления энергии являются элементы, реализуемые по МОП (метал-окисел-полупроводник)-технологии.
К уровню элементов цифровой аппаратуры (цифровых элементов), помимо логических элементов, следует также отнести запоминающие и вспомогательные элементы.
Запоминающие элементы (защелки, триггеры), используемые для хранения одного бита информации, легко строятся из вентилей в соответствии со схемами, которые будут рассмотрены позже.
Что касается вспомогательных элементов, не выполняющих логические операции и функции хранения данных (генераторы импульсных сигналов, элементы задержки и т.д.), знакомство с ними не входит в содержание данного учебника.
В зависимости от условий работы в более сложных структурах (логических цепях, запоминающих устройствах, магистрально-модульных микропроцессорных системах) цифровые элементы (логические, запоминающие, буферные) могут иметь выходы четырех типов:
- логические;
- с открытым коллектором (стоком);
- с открытым эмиттером (истоком);
- с третьим состоянием.
Элементы с логическим выходом широко используются в схемотехнике комбинационных цепей. На логическом выходе могут формироваться два уровня напряжения: U0, соответствующий логическому 0, и U1, соответствующий логической 1. С целью увеличения быстродействия элемента выходное сопротивление логического выхода стремятся уменьшить, чтобы обеспечить достаточно большие токи перезаряда емкостных нагрузок.
Это достигается применением на выходе элемента двухтактного каскада, представленного на рисунке 2.3. Малое выходное сопротивление такой схемы при любом направлении переключения обеспечивается двумя работающими противофазно (один открыт, другой закрыт) транзисторами Т1 и Т2.
Выходы с открытым коллектором могут быть соединены параллельно и обеспечены высоким напряжением через общую внешнюю цепочку R - Ucc, как это показано на рисунке 2.5. Такая схема соединения реализует режим поочередной работы логических элементов на общую линию: один элемент активен, остальные заперты. При разрешении одновременной активности всех элементов схема реализует так называемую операцию монтажной логики
Выход с открытым эмиттером типичен для элементов ЭСЛ. Эти элементы обычно имеют два противофазных выхода. Элементы, имеющие выход с открытым эмиттером, для работы на магистраль не используются.
Буферные элементы с третьим состоянием используются в цифровой аппаратуре для управляемой передачи сигналов по общим линиям связи (магистралям,шинам). Их можно соединять параллельно, но с соблюдением условия
т.е. при объединении n выходов в конкретный момент времени активным может быть только один из них. При этом они сохраняют такие положительные качества элементов с логическим выходом, как быстродействие и нагрузочная способность.