1205

Д.В.Озёркин

СХЕМОТЕХНИКА ЧАСТЬ 3

Учебное пособие для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация

транспортного радиооборудования»

ТОМСК 2012

2

Рецензент: профессор кафедры КИПР ТУСУР, д.т.н. Татаринов В.Н.

Технический редактор: доцент кафедры КИПР ТУСУР, к.т.н. Озёркин Д.В.

Озёркин Д.В.

Схемотехника. Часть 3. Учебное пособие для студентов специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования».

Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 152 с.

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения студентами специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» заключительной (третьей) части дисциплины «Схемотехника».

В первой главе учебного пособия рассмотрены основные структуры и виды полупроводниковой памяти. Во второй главе акцент уделяется рассмотрению разновидностей сумматоров. Проблемы синхронизации сложных современных цифровых устройств, работающих на высоких тактовых частотах, разобраны в третьей главе. В четвертой главе рассматриваются генераторы с кварцевыми резонаторами, как устройства, широко применяемые для тактирования современных цифровых устройств. Кроме того, разобраны наиболее распространенные представители релаксационных генераторов: мультивибраторы и одновибраторы. Особое внимание уделено счетчикам с недвоичным кодированием «1 из N», как устройствам, применяемым для распределения уровней и импульсов. Из большой номенклатуры существующих устройств управления микросхемами в пятой главе рассмотрены логические расширители, преобразователи уровней, детекторы фронтов, а также интерфейсные и периферийные адаптеры.

Озёркин Д.В., 2012

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,

2012

2.2.6Многоразрядный сумматор последовательного действия..46

2.5Реализация операций арифметического сложения и

3.3Устройства коррекции временного положения

4.2.2Мультивибраторы на специализированных

4.4.2Счетчики в коде «1 из N» на основе счетчиков

5.3Разностные преобразователи и детекторы событий

5

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина СД.05 «Схемотехника» относится к разряду федеральных компонентов, предусмотренных Государственным образовательным стандартом ГОС ВПО 653300 «Эксплуатация транспорта и транспортного радиооборудования». В рамках специальности 160905 – «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» СД.05 «Схемотехника» изучается в течение трех семестров и поэтому состоит из трех частей. СД.05 «Схемотехника» базируется на ранее изученных дисциплинах:

-ОПД.Ф.04.01 «Теоретические основы электротехники»;

-ОПД.Ф.04.02 «Общая электротехника и электроника».

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения студентами заключительной (третьей) части дисциплины, в частности, следующих дидактических единиц, предусмотренных ГОС ВПО 653300:

-запоминающие устройства;

-арифметико-логические устройства;

-устройства синхронизации;

-устройства тактирования;

-устройства управления микросхемам.

Для каждой из дидактических единиц в пособии отводится отдельная глава объемом около 30 страниц. На взгляд автора такой объем является минимально достаточным для усвоения. Для более полного изучения можно воспользоваться источниками, приведенными в списке литературы, например

[1, 2].

В первой главе учебного пособия рассмотрены основные структуры (2D, 3D, 2DM) и виды (ПЗУ, ОЗУ и пр.) полупроводниковой памяти. Во второй главе акцент уделяется рассмотрению разновидностей сумматоров, которые являются, по сути, аппаратными ядрами арифметико-логических устройств. Проблемы синхронизации сложных современных цифровых устройств, работающих на высоких тактовых частотах, разобраны в третьей главе. Там же приведены несколько структурных схем устройств синхронизации. В четвертой главе рассматриваются генераторы с кварцевыми резонаторами, как устройства, широко применяемые для тактирования современных цифровых устройств. Кроме того, разобраны наиболее распространенные представители релаксационных генераторов: мультивибраторы и одновибраторы. Особое внимание уделено счетчикам с недвоичным кодированием «1 из N», как устройствам, применяемым для распределения уровней и импульсов. Из большой номенклатуры существующих устройств управления микросхемами в пятой главе рассмотрены логические расширители, преобразователи уровней, детекторы фронтов, а также интерфейсные и периферийные адаптеры.

6

1ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

1.1Основные сведения. Система параметров. Классификация

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровыми устройствами (ЦУ). Микросхемы памяти в общем объеме выпуска интегральных микросхем (ИС) занимают около 40% и играют важнейшую роль во многих системах различного назначения. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур. В настоящее время созданы и используются десятки различных типов ЗУ.

Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, большая информационная емкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэто-

му системам памяти свойственна многоступенчатая иерархическая струк-

тура, и в зависимости от роли того или иного ЗУ его реализация может быть существенно различной.

В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

-регистровые ЗУ, находящиеся в составе процессора или других устройств (т.е. внутренние для этих блоков), благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большего времени для операций обмена информацией;

-кэш-память, служащая для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Высокое быстродействие кэш-памяти повышает производительность ЭВМ;

-основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная), работающая в режиме непосредственного обмена с процессором и по возможности согласованная с ним по быстродействию. Исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

-специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфических архитектур (многопортовые, ассоциативные, видеопамять и др.);

-внешняя память, хранящая большие объемы информации. Эта память обычно реализуется на основе устройств с подвижным носителем информации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.).

Рассмотрим важнейшие параметры ЗУ.

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации. Выражается в битах или словах (в частности, в байтах). Бит хранится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово – запоминающей ячейкой (ЗЯ), т.е. группой ЗЭ, к которым возможно лишь одновременное обращение.

Добавление к единице измерения множителя «К» (кило) означает умножение на 210 = 1024, а множителя «М» (мега) – умножение на 220 = 1048576.

7

Организация ЗУ – произведение числа хранимых слов на их разрядность. Видно, что это дает информационную емкость ЗУ, однако при одной и той же информационной емкости организация ЗУ может быть различной, так что организации является самостоятельным важным параметром.

Быстродействие (производительность) ЗУ оценивают временами счи-

тывания, записи и длительностями циклов чтения/записи. Время считывания

– интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Время записи – интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом. Минимально допустимый интервал между последовательными чтениями или записями образует соответствующий цикл. Длительности циклов могут превышать времена чтения или записи, т.к. после этих операций может потребоваться время для восстановления необходимого начального состояния ЗУ.

Время чтения, записи и длительности циклов – традиционные параметры. Для некоторых современных ЗУ они должны быть дополнены новыми. Причиной является более сложный характер доступа к хранимым данным, когда обращение к первому слову некоторой группы слов (пакета) требует большего времени, чем обращение к последующим. Для таких режимов вво-

дят параметр времени доступа при первом обращении и темпа передач для последующих слов пакета. Темп передач в свою очередь оценивается двумя значениями – предельным (внутри пакета) и усредненным. С уменьшением пакета усредненный темп снижается, все более отличаясь от предельного.

Помимо указанных основных параметров для ЗУ указывают еще целый набор временных интервалов. Перечисленные выше динамические параметры являются эксплуатационными (измеряемыми). Кроме них, существует ряд режимных параметров, обеспечение которых необходимо для нормального функционирования ЗУ, поскольку оно имеет несколько сигналов управления, для которых должно быть обеспечено определенное взаимное расположение во времени. Для этих сигналов задаются длительности и ограничения по взаимному положению во времени.

Один из возможных наборов сигналов ЗУ (рисунок 1.1, а) включает следующие сигналы:

- A – адрес, разрядность которого n определяется числом ячеек ЗУ, т.е. максимально возможным числом хранимые в ЗУ слов. Для ЗУ типично число ячеек, выражаемое целой степенью числа 2. Адрес является номером ячейки, к которой идет обращение. Очевидно, что разрядность адреса связана с числом хранимых слов N соотношением n = log2N (имеется в виду максимально возможное число хранимых слов). Например, ЗУ с информационной емкостью 64К слов имеет 16-разрядные адреса, выражаемые словами:

A= A15A14A13...A0;

-CS – (Chip Select) или CE (Chip Enable), который разрешает или за-

прещает работу данной микросхемы;

8

-R/W – (Read/Write) задает выполняемую операцию (при единичном значении – чтение, при нулевом – запись);

-DI и DO – (Data Input) и (Data Output) – шины входных и выходных данных, разрядность которых m определяется организацией ЗУ (разрядностью его ячеек). В некоторых ЗУ эти линии объединены.

Рисунок 1.1 – Типичные сигналы ЗУ (а) и их временные диаграммы (б)

Требования к взаимному временному положению двух сигналов (А и B) задаются временами предустановки, удержания и сохранения.

Время предустановки сигнала А относительно сигнала В обозначается и является интервалом между началами обоих сигналов.

Время удержания обозначается tH(A-B) и является интервалом между началом сигнала А и окончанием сигнала В.

Время сохранения обозначается t и является интервалом между окончанием сигнала А и окончанием сигнала В.

Длительности сигналов обозначаются как tW (индекс от слова Width – ширина).

Для ЗУ характерна следующая последовательность сигналов. Прежде всего, подается адрес, чтобы последующие операции не коснулись какойлибо другой ячейки, кроме выбранной. Затем разрешается работа микросхемы

сигналом CS ( CE ) и подается строб чтения/записи R/W (взаимное положение

сигналов CS и R/W для равных ЗУ может быть различным). Если задана, например, операция чтения, то после подачи перечисленных сигналов ЗУ готовит данные для чтения, что требует определенного времени. Задний фронт сигнала R/W, положение которого во времени должно обеспечивать установление правильных данных на выходе ЗУ, считывает данные.

Пример временной диаграммы дли рассмотренного набора сигналов ЗУ и операции чтения приведен на рисунке 1.1, б.

Индексом А (от слова Access) обозначаются согласно стандарту времена доступа – интервалы времени от появления того или иного управляющего

9

сигнала до появления информационного сигнала на выходе. Время доступа относительно сигнала адреса обозначается, если следовать правилу, как tA(A), но часто просто как tA. Аналогично этому, время доступа относительно сиг-

нала CS , т.е. tA(CS) часто обозначается просто как tCS. Время tA называют также временем выборки, а время tCS – временем выбора.

Кроме отмеченных параметров для ЗУ используется и ряд других (yровни напряжений, токи, емкости выводов, температурный диапазон и т.д.), которые не требуют специального рассмотрения, т.к. они традиционны для цифровой схемотехники. Исключение составляет свойство энергонезависимости, т.е. способность ЗУ сохранять данные при отключении напряжения питания. Энергонезависимость может быть естественной, т.е. присущей самим ЗЭ, или искусственной, достигаемой введением резервных источников питания, автоматически подключаемых к накопителю ЗУ при снятии основною питания.

Рассмотрим классификацию ЗУ.

Для классификации ЗУ (рисунок 1.2) важнейшим признаком является способ доступа к данным.

Рисунок 1.2 – Классификация полупроводниковых ЗУ

При адресном доступе код на адресном входе указывает ячейку, с которой ведется обмен. Все ячейки адресной памяти в момент обращения равно-