8. Основы цифровой схемотехники

8.1 Арифметические и логические основы цифровой техники; правила оформления схем цифровых устройств; принципы построения цифровых устройств

В настоящее время в обыденной жизни для кодирования числовой информации используется десятичная система счисления с основанием 10, в которой используется 10 элементов обозначения: числа 0, 1, 2, … 8, 9. В первом (младшем) разряде указывается число единиц, во втором — десятков, в третьем — сотен и т.д.; иными словами, в каждом следующем разряде вес разрядного коэффициента увеличивается в 10 раз.

В цифровых устройствах обработки информации используется двоичная система счисления с основанием 2, в которой используется два элемента обозначения: 0 и 1. Веса разрядов слева направо от младших разрядов к старшим увеличиваются в 2 раза, то есть имеют такую последовательность: 8421.

В цифровых устройствах используются специальные термины для обозначения различных по объёму единиц информации: бит, байт, килобайт, мегабайт и т.д.

Бит или двоичный разряд определяет значение одного какого-либо знака в двоичном числе. Например, двоичное число 101 имеет три бита или три разряда. Крайний справа разряд, с наименьшим весом, называется младшим, а крайний слева, с наибольшим весом, — старшим.

Байт определяет 8-разрядную единицу информацию, 1 байт=23 бит, например, 10110011 или 01010111 и т.д., 1 кбайт = 2¹⁰ байт, 1 Мбайт = 2¹⁰ кбайт = 2²⁰ байт. Для представления многоразрядных чисел в двоичной системе счисления требуется большое число двоичных разрядов. Запись облегчается, если использовать шестнадцатеричную систему счисления.

Основанием шестнадцатеричной системы счисления является число 16=2⁴, в которой используется 16 элементов обозначения: числа от 0 до 9 и буквы A, B, C, D, E, F. Для перевода двоичного  числа в шестнадцатеричное достаточно двоичное число разделить на четырёхбитовые группы: целую часть справа налево, дробную — слева направо от запятой. Крайние группы могут быть неполными.

Каждая двоичная группа представляется соответствующим шестнадцатеричным символом (таблица 1). Например, двоичное число 0101110000111001 в шестнадцатеричной системе выражается числом 5C39.

Пользователю наиболее удобна десятичная система счисления. Поэтому многие цифровые устройства, работая с двоичными числами, осуществляют приём и выдачу пользователю десятичных чисел. При этом применяется двоично-десятичный код.

Двоично-десятичный код образуется заменой каждой десятичной цифры числа четырёхразрядным двоичным представлением этой цифры в двоичном коде (См. таблицу 1). Например, число 15 представляется как 00010101 BCD.

Таблица 1 – Коды чисел от 0 до 15

Десятичное число			Коды
			Двоичный	16-ричный		Двоично-десятичный
0	0000	0		000
1	0001	1		0001
2	0010	2		0010
3	0011	3		0011
4	0100	4		0100
5	0101	5		0101
6	0110	6		0110
7	0111	7		0111
8	1000	8		1000
9	1001	9		1001
10	1010	A		00010000
11	1011	B		00010001
12	1100	C		00010010
13	1101	D		00010011
14	1110	E		00010100
15	1111	F		00010101

Раздел математической логики, изучающий связи между логическими переменными, имеющими только два значения, называется алгеброй логики. Алгебра логики разработана английским математиком Дж. Булем и часто называется булевой алгеброй. Алгебра логики является теоретической базой для построения систем цифровой обработки информации. Вначале на основе законов алгебры логики разрабатывается логическое уравнение устройства, которое позволяет соединить логические элементы таким образом, чтобы схема выполняла заданную логическую функцию.

Для обозначения различной информации предметов, понятий, действий - мы пользуемся словами. Запись слов производится с помощью букв из некоторого их набора, называемого алфавитом.

В цифровой технике для тех же целей пользуются кодовыми словами. Особенность этих слов заключается в том, что все они имеют чаще всего одинаковую длину (т.е. состоят из одного и того же количества букв) и для их построения используется простейший алфавит из двух букв. Эти буквы принято обозначать символами 0 и 1. Таким образом, кодовое слово в цифровой технике есть определенной длины последовательность символов 0 и 1, например 10111011. Такими кодовыми словами могут представляться и числа, в этом случае 0 и 1 совпадают по смыслу с обычными арабскими цифрами. При представлении кодовым словом ^--- некоторой нечисловой информации, чтобы отличать символы 0 и 1 от арабских цифр, будем эти символы называть логическим нулем и логической единицей и обозначать далее лог 0 и лог I.

Если длина кодовых слов составляет п разрядов, то можно построить 2ⁿ различных комбинаций -- кодовых слов. Например, при п = 3 можно построить 2³=8 слов: 000, 001,010, 011, 100,101,110,111

Информация, которая передается между отдельными узлами (блоками) сложного цифрового устройства, представляется в виде кодовых слов. Таким образом, на входы каждого узла поступают кодовые слова, на выходе узла образуется новое кодовое слово, представляющее собой результат обработки входных слов. Выходное слово зависит от того, какие слова поступают на входы узла Поэтому можно говорить, что выходное слово есть функция, для которой аргументами являются входные слова. Для того чтобы подчеркнуть особенность таких функций, состоящую в том, что функция и ее аргументы могут принимать значения лог 0 и лог /, будем эти функции называть функциями алгебры логики (ФАЛ).

Устройства, предназначенные для формирования функций алгебры логики, называются логическими устройствами или цифровыми устройствами.Цифровые устройства (либо их узлы) можно делить на типы по различным признакам.

По способу ввода и вывода кодовых слов различают логические устройства последовательного, параллельного и смешанного действия.

На входы устройства параллельного действия все п символов каждого входного кодового слова подаются одновременно (в так называемой параллельной форме) В такой же форме образуется на выходе выходное слово. Очевидно, при параллельной форме приема и выдачи кодовых слов в устройстве необходимо иметь для каждого разряда входного (выходного) слова отдельный вход (выход). Устройство выполняет над разрядами входных слов ту же логическую операцию (выявляя несовпадение символов соответствующих разрядов входных слов .Входы устройства разделены на две группы (I и II), каждая из которых предназначена для приема трехразрядного входного кодового слова в параллельной форме. На выходах устройства также в параллельной форме получается трехразрядное выходное слово.

В устройствах смешанного действия входные и выходные кодовые слова представляются в разных формах- Например, входные слова -- в последовательной форме, выходные -- в параллельной. Устройства смешанного действия могут использоваться для преобразования кодовых слов из одной формы представления в другую (из последовательной формы в параллельную или наоборот).

Правила оформления схем цифровых устройств

Схема - это графический конструкторский документ, на котором показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними. Схемы применяют при изучении принципа действия механизмов, машин, приборов, аппаратов, при их наладке и ремонте, монтаже трубопроводов и электрических сетей, для уяснения связи между отдельными составными частями изделия без уточнения особенностей их конструкции.

Графические обозначения. Электрические элементы и устройства на схеме изображают в виде условных графических обозначений, установленных стандартами ЕСКД или построенных на их основе. При необходимости применяют не стандартизованные условные графические обозначения. Стандартизованные или строящиеся на основе стандартизованных графические обозначения на схемах не поясняют; не стандартизованные обозначения должны быть пояснены на свободном поле схемы.

Ориентация условных графических обозначений. Размещение условных графических обозначений на схеме должно обеспечивать наиболее простой рисунок схемы с минимальным количеством изломов и пересечений линий электрической связи.

Рекомендуется изображать условные графические обозначения в положении, указанном стандартами, или повернутыми на угол, кратный 90° (рис. 1.8.2, а), за исключением случаев, оговоренных в стандартах. Для упрощения начертания схем или более наглядного представления отдельных цепей допускается поворачивать условные графические обозначения на углы, кратные 45° по сравнению с их изображениями в стандарте (рис. 1.8.2, б). При этом квалифицирующие символы излучения в обозначениях приборов (световой поток, рентгеновское излучение и т. п.) не должны менять своей ориентации относительно основной надписи схемы (рис. 1.8.3). Если же повороты и зеркальные изображения условных графических обозначений приводят к искажению или потере их смысла (например, обозначения контактов), то такие обозначения выполняют в положениях, приведенных в стандартах. Условные графические обозначения, содержащие цифровые или буквенно-цифровые обозначения допускается поворачивать против часовой стрелки только на угол 90 или 45°.

Линии. В зависимости от назначения и типа схем линиями изображают: электрические взаимосвязи (функциональные, логические и т. п.), пути прохождения электрического тока (электрические связи), механические взаимосвязи, материальные проводники (провода, кабели, шины), экранирующие оболочки, корпуса приборов и т. п., условные границы устройств и функциональных групп.

Линии на схемах всех типов выполняют в соответствии с правилами, установленными ГОСТ 2.701-84 и ГОСТ 2.72-74 „ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения". Линии связи должны состоять из горизонтальных или вертикальных отрезков и иметь минимальное количество изломов и взаимных пересечений. В отдельных случаях допускается применять наклонные отрезки линии связи, длину которых следует по возможности ограничивать.

8.2 Основные задачи и этапы проектирования цифровых устройств; условия эксплуатации цифровых устройств, обеспечение их помехоустойчивости и тепловых режимов, защиты от механических воздействий и агрессивной среды

Процесс проектирования и изготовления цифровых устройств традиционным способом, т.е. на основе стандартных интегральных схем комбинационных и последовательных типов малой и средней степени интеграции, является узкоспециализированным. Это означает, что специалисты, участвующие в процессе создания устройств цифровой техники, выполняют определенные индивидуальные функции в этом процессе. Сам процесс создания состоит из проектных стадий, стадий подготовки производства, отработки технологии и пр. Аналогичной сложностью характеризуется и процесс создания цифровых устройств на основе специализированных интегральных схем высокой степени интеграции. Использование же ПЛИС позволяет существенно сократить объем этих стадий, фактически свести их только к этапам проектирования с помощью ЭВМ.

Существенным преимуществом ПЛИС является их универсальность и возможность быстрого программирования под выполнение функций практически любого цифрового устройства. ПЛИС представляет собой полуфабрикат, на основе которого разработчик, обладающий персональным компьютером, несложными и относительно недорогими аппаратными средствами программирования и специальным программным обеспечением, называемым системой автоматизированного проектирования (САПР), имеет возможность проектирования цифрового устройства в рекордно короткие сроки. При этом весь цикл проектирования и программирования доступен всего одному человеку – проектировщику цифровых устройств на базе ПЛИС.

Все современные САПР ПЛИС работают под управлением операционных систем семейства Windows и используют все преимущества ее графического интерфейса. Фирмы-производители интегральных схем ПЛИС осуществляют обычно поддержку своей продукции путем разработки и распространения таких САПР. Проектирование ПЛИС в системе САПР предполагает выполнение следующих этапов:

16.06.15

1. разработка структурной формулы проектируемого цифрового устройства, ее минимизация и адаптация под тип и возможности используемой ПЛИС (для этих целей используются методы, рассмотренные в предыдущих главах);

2. создание нового файла проекта, назначение семейства ПЛИС для проекта;

3. ввод структурной формулы или схемы проектируемого устройства с помощью специальных программ – редакторов;

4. компиляция введенной структурной формулы или схемы, т.е. получение битовой последовательности загружаемой в ПЛИС программы;

5. временной анализ задержек в отдельных элементах и проверка работоспособности всей структуры цифрового устройства путем моделирования с помощью специальных программ – симуляторов;

6. программирование микросхемы ПЛИС с помощью специальных аппаратных средств – программаторов.

Проектировщику в системе САПР доступны обычно обширные программные библиотеки, задающие функции типовых интегральных схем ТТЛ и КМОП типов. Это позволяет синтезировать схему цифрового устройства не только в определенном базисе, т.е. из элементарных функций И, ИЛИ, НЕ, но и используя готовый программный аналог существующих реальных микросхем. Широкие возможности при проектировании представляет глобальная сеть Internet, через которую осуществляется распространение специально разрабатываемых библиотек компонентов, не имеющихся в стандартных версиях САПР. Для задания схемы проектируемого на базе ПЛИС цифрового устройства широко используются языки описания аппаратных средств, в общем случае называемые HDL (hardware device language). С помощью операторов такого языка можно задать типы комбинационных или последовательностных устройств, сформулировать входные воздействия на них и связи между ними, определить константы и переменные в проекте и т.д.

Среди лидеров в производстве ПЛИС и САПР для них на сегодняшний день можно выделить такие фирмы, как Altera Corporation, Xilinx и Actel Corporation. На их долю приходится до 80 % от общего производства ПЛИС, быстродействие которых на сегодняшний день достигло порядка сотен МГц, емкость программируемых матриц И – нескольких миллионов элементов, а стоимость снизилась до десятков у.е. Все это, плюс кратчайшие сроки проектирования, высокая надежность, объясняемая высокой степенью интеграции отдельных элементов в едином кристалле полупроводника и, как следствие, минимальное количество внешних межсоединений, делает ПЛИС предпочтительной элементной базой по сравнению со стандартными логическими микросхемами комбинационного и последовательностного типов.