Тема 4. Цифровые интегральные микросхемы

Лекция 13. Основные понятия цифровой электроники

1. Представление информации физическими сигналами.

2. Классификация цифровых устройств.

3. Базовые логические элементы. Триггеры, регистры, счетчики.

Литература: 1. Опадчий Ю.Ф.и др. Аналоговая и цифровая электроника

(Полный курс): Учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П.

Глудкин, А. И. Гуров; Под ред. О. П. Глудкина. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2002.

2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –

4-е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004.

1 Представление информации физическими сигналами

Для того чтобы обеспечить возможность обработки любого вида информации (числовой, символьной, графической, звуковой и т.д.) с помощью ЭВМ, применяется предварительное ее кодирование двоичными кодами (для чего используется алфавит двоичной системы счисления – цифры 0 и 1). Физическими аналогами зна­ков 0 и 1 двоичного алфавита служат сигналы, способные принимать два хорошо различимых значения, например, напря­жение (потенциал) высокого и низкого уровней, отсутствие и наличие электрического импульса, противоположные по зна­ку значения магнитной индукции и т. п.

В схемах цифровых устройств переменные и соответствую­щие им сигналы изменяются не непрерывно, а лишь в ди­скретные моменты времени, обозначаемые целыми неотрица­тельными числами: 0, 1, 2, ..., п. Временной интервал между двумя соседними моментами дискретного времени называется тактом. Для того, чтобы синхронизировать работу отдельных элементов цифровых устройств, обеспечить их переключения из одного состояния в другое только в строго фиксированные моменты дискретного времени (на границах тактов), цифровые устройства, как правило, содержат спе­циальный блок, вырабатывающий синхронизирующие сигналы (СС) (или тактовые импульсы (ТИ)).

В цифровых вычислительных устройствах обычно приме­няют потенциальный и импульсный способы физического пред­ставления информации.

При потенциальном способе (рисунок 1, а) двум значениям переменной 1 и 0 соответствуют разные уровни напряжения в соответствующей точке схемы машины (потенциальный код). Потенциальный сигнал сохраняет постоянный уровень в тече­ние такта, а его значение в переходные моменты не является определенным.

Р исунок 1

При импульсном способе представления информации (рисунок 1, б) единичное и нулевое значения двоичной переменной отображаются наличием и отсутствием электрического импульса или разнополярными импульсами в соответствующей точке схемы (импульсный код).

Импульсный сигнал можно характеризовать амплитудой U_m, продолжительностью импульса по основанию t_осн, дли­тельностью фронта t_фр и среза t_ср.

Аналогичные понятия могут быть применены к потенциаль­ному сигналу (рисунок 1, а). Потенциальный сигнал характери­зуется, кроме того, разностью U_c верхнего и нижнего уровней напряжения. Понятия фронта и среза у потенциального сигнала всегда связаны с процессом перехода соответственно от нижне­го к верхнему и от верхнего к нижнему уровню напряжений.

В соответствии с типом используемых сигналов для пред­ставления информации схемы цифровых устройств принято де­лить на импульсные, потенциальные и импульсно-потенциальные.

Двоичное слово может быть представлено последовательным или па­раллельным кодом.

При последовательном коде каждый временной такт пред­назначен для отображения одного разряда кода слова. В этом случае все разряды слова фиксируются по очереди од­ним и тем же элементом и проходят через одну линию переда­чи информации.

При параллельном коде все разряды двоичного кода слова представляются в одном временном такте, фиксируются от­дельными элементами и проходят через отдельные линии, каж­дая из которых служит для представления и передачи только одного разряда слова.

При параллельной передаче информации код слова раз­вертывается не во времени, а в пространстве, так как значения всех разрядов слова передаются по нескольким линиям одно­временно.

В зависимости от применяемого кода устройства вычисли­тельной техники называются последовательными или парал­лельными. При использовании последовательного кода все операции, в том числе передача слов из одного узла в другой, производятся поочередно для каждого разряда слова, и поэто­му последовательные устройства работают медленнее, чем па­раллельные. В современных ЭВМ основные устройства, уча­ствующие в обработке информации, для достижения высокого быстродействия строятся как параллельные, хотя они и тре­буют большего объема аппаратуры. Для экономии оборудова­ния в некоторых устройствах применяют последовательно-па­раллельный код, при котором слова разбиваются на части (слоги) и передача, а иногда и обработка производятся после­довательно слог за слогом. При этом каждый слог предста­вляется параллельным кодом.