Электроника

Схема последовательно-параллельного регистра на D-триггерах MSтипа и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рис. 4.27. В отличие от параллельного регистра для ввода многоразрядной информации в последовательный регистр используется только один вход D. Поступление разрядов двоичного числа в регистр происходит синхронно с подачей тактовых импульсов на вход C.

С приходом первого тактового импульса в ведущий триггер первого разряда запишется сигнал с входа D, а в ведущие триггеры последующих разрядов запишутся сигналы, которые были установлены на выходах ведомых триггеров предыдущих разрядов. По заднему фронту тактового

202

импульса C происходит перепись информации из ведущих триггеров в ведомые внутри каждого разряда . При последовательном вводе числа в регистр для записи n-разрядного двоичного кода необходимо n тактов сдвига. На временных диаграммах (рис. 4.27,в) видно, что четырехразрядное число 1011 было записано в соответствующие разряды регистра (1 – Q4, 0 – Q3, 1 – Q2 и 1 – Q1) после прихода четвертого тактового импульса. До прихода следующего тактового импульса это число хранится в регистре в виде параллельного кода на выходах Q4 – Q1 и может быть многократно считано без потери информации.

Если необходимо получить хранимую информацию в последовательном коде, то ее снимают с выхода Q4 в момент прихода следующих четырех тактовых импульсов (5 - 8).

Таким образом, рассмотренный выше регистр обеспечивает последовательный ввод, хранение и последовательный вывод информации; может применяться для преобразования последовательного кода числа в параллельный.

Во многих случаях при построении арифметических устройств возникает необходимость сдвига информации как вправо, так и влево. Последовательные регистры, обладающие способностью сдвига информации в обоих направлениях, называются реверсивными. На рис. 4.28 представлены два разряда реверсивного сдвигающего регистра, построенного на основе

ТС ПР

Рис. 4.28. Реверсивный сдвигающий регистр

Для обеспечения реверса сдвига между триггерами регистра включены логические устройства управления направлением сдвига. Эти устройства в зависимости от единичного сигнала, поступившего либо по управляющей шине ТС ПР, либо по управляющей шине ТС ЛЕВ, подключают входы каждого триггера регистра к выходам предыдущих или к выходам последующих триггеров.

4.2.3. Счетчики.

Счетчиком называют устройство, сигналы, на выходе которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный

203

вход. Счетчик, образованный цепочкой из m триггеров, сможет подсчитать в двоичном коде 2m импульсов. Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счетчика. Число m определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счетчик. Число КСЧ= 2m называют коэффициентом (модулем) счета.

Информация снимается с прямых и (или) инверсных выходов всех триггеров. В паузах между входными импульсами триггеры сохраняют свои состояния, то есть счетчик запоминает число поступивших на вход импульсов.

Когда число входных импульсов NВХ > KСЧ происходит переполнение, после чего счетчик возвращается в нулевое состояние и повторяет цикл работы. После каждого цикла счета на выходах последнего триггера счетчика возникают перепады напряжения. Это свойство определяет второе назначение счетчиков: деление числа входных импульсов. Если входные импульсы периодичны и следуют с частотой fВХ, то частота выходных

импульсов будет fВЫХ=fВХ/ КСЧ.

Основными эксплуатационными показателями счетчика являются емкость и быстродействие. Емкость счетчика численно равна коэффициенту счета КСЧ. Быстродействие счетчика определяется двумя параметрами: разрешающей способностью tРАЗ. СЧ. и временем установки кода счетчика. Под разрешающей способностью подразумевают минимальное время между двумя входными сигналами, при котором еще не возникают сбои в работе счетчика. Обратная величина fМАХ=1/tРАЗ. СЧ называется максимальной частотой счета. Время установки кода tУСТ равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое устойчивое состояние.

Классифицируют счетчики по нескольким параметрам:

по модулю счета: двоичные, двоично-десятичные (декадные) или с другим основанием счета, с произвольным постоянным модулем, с переменным модулем;

по направлению счета: суммирующие, вычитающие, реверсивные;

по способу организации внутренних связей: с последовательным

переносом, с параллельным переносом, с комбинированным переносом, кольцевые.

Классификационные признаки независимы и могут встречаться в различных сочетаниях.

Счетчики могут быть асинхронными и синхронными (тактируемыми). Рассмотрим примеры счетчиков. Двоичный трехразрядный

суммирующий счетчик с последовательным переносом представлен на рис.

4.29.

Перед началом счета, то есть в исходном состоянии все триггеры по выходам устанавливают в 0, подав импульс на вход R (установка «0»). Каждый триггер счетчика срабатывает при переходе своего входного сигнала из 1 в 0 (на отрицательный перепад входного сигнала), поэтому, как видно из

204

временных диаграмм, каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты. Модуль счета счетчика КСЧ=23=8, т.е. через каждые восемь импульсов цикл повторяется. Из временных диаграмм видно, что количеству поступивших на вход счетчика импульсов от 0 до 7 соответствует двоичное число, определяемое состояниями триггеров. Причем код числа возрастает на 1 при поступлении очередного входного импульса, поэтому счетчик называют суммирующим.

Для получения вычитающего счетчика (рис. 4.30) в цепочке триггеров счетный вход каждого последующего триггера подключают к инверсному выходу предыдущего, а не к основному, как в предыдущем случае.

205

Из временных диаграмм вычитающего счетчика (рис. 4.30,а) видно, что с приходом первого счетного импульса в счетчике устанавливается максимальное двоичное число 111 (двоичное число 7), а при подаче каждого последующего импульса уменьшается на единицу.

Часто возникает необходимость в счетчиках, которые под действием дополнительного управляющего сигнала могли бы осуществлять либо сложение, либо вычитание. Такие счетчики называют реверсивными. Один из вариантов такого счетчика приведен на рис. 4.31.

При подаче на шину ТСУМ единицы, а на шину ТВЫЧ нуля получаем суммирующий счетчик, так как прямые выходы триггеров соединяются со счетным входом последующих через верхние логические элементы И. При сигналах на шинах ТСУМ=0 и ТВЫЧ=1 счетчик переключается на вычитание. Теперь сигналы с инверсных выходов предыдущих триггеров поступают на счетные входы последующих через нижние логические элементы И.

Основной недостаток счетчиков с последовательным переносом – сравнительно низкое быстродействие, поскольку триггеры здесь переключаются последовательно один за другим.

Для повышения быстродействия используются схемы счетчиков с параллельной (сквозной) передачей единиц переноса. Принцип построения таких счетчиков основан на особенности сложения двоичных чисел, заключающейся в том, что если к двоичному числу прибавить единицу младшего разряда, то результат может быть получен заменой в этом числе первого нуля в младших разрядах (считая, справа налево) единицей, а всех единиц, расположенных справа от этого нуля, - нулями. Например,

1011

001

1100

Здесь первым нулем в числе является 0 в третьем разряде, ему предшествуют единицы в первом и втором разрядах. Как видно из примера, заменив этот нуль единицей, а предшествующие ему единицы – нулями, получим число на единицу больше исходного.

Вариант счетчика со сквозным переносом показан на рис. 4.32.

R

Рис. 4.32. Четырехразрядный двоичный счетчик со сквозным переносом.

Предположим, что к моменту поступления очередного входного

случае задача формулируется следующим образом. Требуется получить счетчик с коэффициентом пересчета КСЧ 2m, причем 2m-1<КСЧ<2m.

Для этого необходимо m триггеров и исключить 2m-КСЧ линейных состояний в счетчике. Это условие можно реализовать различными способами.

Наибольшее распространение получили десятичные (декадные) счетчики, работающие с привычным КСЧ=10. Если десятичный счет осуществляется в двоично-десятичном коде (двоичный – по коду счета,

207

десятичный – по числу состояний), то такой счетчик называют двоичнодесятичным.

элемент И-НЕ. Счетчик производит счет в двоичном коде до момента, когда на вход приходит 10-й импульс (10 строка табл. 4.10). При этом на обоих входах элемента И-НЕ устанавливается сигнал 1. Низким уровнем выходного импульса элемента И-НЕ, подаваемого на вход R счетчика, счетчик обнуляется, исключая лишние состояния. Начинается новый цикл счета.

Если входы элемента И-НЕ подключить к выходам Q3 и Q4 счетчика получим счетчик с коэффициентом пересчета КСЧ=12 и так далее.

4.3. Запоминающие устройства

Запоминающие устройства (ЗУ) предназначены для записи, хранения и считывания (выборки) цифровой информации. Микросхемы памяти представляют собой функционально - и конструктивно-законченные микроэлектронные изделия, предназначенные для реализации запоминающих устройств (ЗУ).

Общепринятой является классификация микросхем памяти по следующим признакам: функциональное назначение, способ хранения информации, степень зависимости от источников питания, схемнотехнологическое исполнение .

По функциональному назначению микросхемы памяти подразделяют на микросхемы оперативных ЗУ (ОЗУ) и постоянных ЗУ (ПЗУ). Оперативные ЗУ предназначены для хранения переменной информации: программ и промежуточных результатов обработки данных. Такие ЗУ работают в режимах записи, хранения и считывания информации и допускают оперативную смену своего информационного содержания. Постоянные ЗУ предназначены для хранения информации, неменяющейся в процессе работы устройства: стандартных программ, табличных данных, коэффициентов, констант и т. п. Такие ЗУ работают в режимах хранения и считывания информации, которая заносится в них предварительно, например, при их изготовлении, и во время работы не изменяется.

Основной составной частью структуры любой микросхемы памяти является матрица накопителя, представляющая собой однородный массив элементов памяти. Элемент памяти (ЭП) может хранить один бит (0 или 1) информации. Схемотехнический принцип построения элемента памяти в

209

изготовления микросхемы с использованием трафарета (маски). Такие микросхемы получили название масочных ПЗУ (МПЗУ). Другой способ состоит в пережигании легкоплавких токопроводящих перемычек в тех точках накопителя, где должен быть записан 0 или 1 в зависимости от принятого кодирования состояний перемычек. Программирование микросхем ПЗУ осуществляет пользователь с помощью специального устройства - программатора.

Микросхемы масочных ПЗУ и программируемых пользователем ПЗУ (ППЗУ) допускают однократную запись информации, поскольку при программировании происходит необратимое разрушение соединений в накопителе. Существует разновидность ПЗУ, допускающая неоднократное программирование, т. е. перепрограммирование (репрограммирование). Этим свойством репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) обладают благодаря использованию в них элементов памяти на основе МДП-транзисторов специальной конструкции, способных переходить из непроводящего состояния в проводящее и обратно под воздействием внешнего программирующего напряжения. Причем оба состояния могут сохраняться длительное время (тысячи часов) без напряжения питания.

По способу стирания информации в накопителе микросхемы РПЗУ разделяют на два вида, которые называют программируемыми ПЗУ со стиранием электрическим сигналом (ЭСППЗУ) и ультрафиолетовым излучением (СППЗУ).

Наряду с полупроводниковыми микросхемами ОЗУ и ПЗУ промышленность выпускает микросхемы памяти на тонких магнитных пленках, элементами памяти в которых являются цилиндрические магнитные домены (ЦМД). Микронные размеры ЦМД позволяют разместить в тонкой пленке магнитного материала на диэлектрической подложке размерами 100*100 мм2 накопитель с информационной емкостью в десятки миллионов бит. Микросхемы памяти на ЦМД предназначены для реализации внешних запоминающих устройств, отличающихся от устройств на магнитных лентах и дисках более высокой надежностью функционирования и быстродействием благодаря полностью электронной системе записи и считывания информации.

Рассмотренные разновидности микросхем памяти систематизированы в классификационной диаграмме, приведенной на рис. 4.34.

Здесь же показаны международные буквенные обозначения микросхем памяти различных видов и типов, которые помещают на их условных графических изображениях.

По степени зависимости от источников питания различают энергозависимые и энергонезависимые ЗУ. В энергозависимых ЗУ при отключении и сбоях питания информация разрушается. Такими являются микросхемы ОЗУ. В энергонезависимых ЗУ электропитание необходимо только при записи и считывании, а в режиме хранения оно может быть отключено. К таким ЗУ относятся микросхемы ПЗУ.

210

Микросхемы памяти

Рис. 4.34. Классификация микросхем памяти.

Микросхемы памяти выпускают сериями. Серия представляет собой совокупность микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, совместимые электрические, эксплуатационные и надежностные показатели и отличающихся информационной емкостью, быстродействием и некоторыми другими характеристиками, например наличием дополнительных входов для сигналов управления.

По физико-технологическому признаку микросхемы памяти можно разделить на два класса: биполярные и униполярные. Первые изготавливают по технологии биполярных транзисторов, вторые — по технологии полевых транзисторов, в основном МДП-транзисторов.

По схемно-технологическому признаку биполярные микросхемы обычно классифицируют на микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), интегральной инжекционной логики (ИИЛ). Обычным является применение комбинаций схемно-технологических решений при производстве микросхем памяти, например ЭСЛ и ТТЛШ или ТТЛ и ИИЛ и т. д.

Для биполярных микросхем памяти, в частности для ЭСЛ - и ТТЛШ - микросхем, характерны высокое быстродействие, значительная нагрузочная способность, повышенное энергопотребление.

В классе униполярных микросхем памяти наиболее широко представлены микросхемы на МДП-транзисторах с каналом n - типа и микросхемы на комплементарных парах МДП-транзисторов (КМДП - микросхемы). Для nМДП – микросхем памяти характерно сравнительно высокое быстродействие, соизмеримое с быстродействием ТТЛШ - микросхем, а для КМДП - микросхем — самый низкий уровень энергопотребления и способность функционировать в условиях значительных изменений напряжения питания.