00 Проектирование цифровых устройств

УДК 621.374 (075.8) ББК 32.385

П 455

Авторы:

В.И. Иванов, В.С. Титов, М.В. Бобырь, А.С. Ястребов

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор С.А. Филист Кандидат технических наук, доцент О.Г. Бондарь

Иванов, В.И. Проектирование цифровых устройств

[Текст]: учеб. пособие для студентов вузов / В.И. Иванов, В.С. Титов, М.В. Бобырь, А.С. Ястребов; Юго-Западный гос. ун-т. Курск, 2011. 84 с. Библиогр.: с. 83.

ISBN 978-5-7681-0509-9

ISBN 978-5-7681-0507-5

Учебное пособие соответствует государственному образовательному стандарту специальности 230101. Содержит материал, необходимый для формирования у студентов знаний основ цифровой схемотехники и принципов построения цифровых узлов, привития навыков разработки и проектирования цифровых устройств, а также выполнения курсового проекта по дисциплине «Схемотехника ЭВМ».

Рассмотрены методы синтеза дискретных устройств комбинационного типа и автоматов с памятью. Приведены примеры реализации цифровых устройств различного назначения на интегральных схемах.

Учебное пособие может быть полезным для студентов специальностей «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и «Комплексная защита объектов информатизации».

ВВЕДЕНИЕ

Курсовое проектирование является значительным этапом в изучении основ схемотехники ЭВМ и принципов построения цифровых устройств. Работа над проектом направлена на привитие практических навыков разработки и проектирования цифровых устройств.

Все цифровые устройства (ЦУ) принято разбивать на два класса: комбинационные цепи (КЦ) и последовательностные ЦУ (автоматы с памятью – АП).

Отличительные особенности этих классов ЦУ состоят в следующем. Для КЦ значения выходных переменных в некоторый момент времени определяются только значениями входных переменных в тот же момент времени. Для АП значения выходных переменных определяются не только входными переменными в данный момент, но и их значениями в предшествующие моменты времени. Изменения значений входных переменных ЦУ происходят дискретно во времени. При этом временные интервалы, в течение которых эти значения сохраняются неизменными, называют тактами работы ЦУ.

Элементной базой современных цифровых устройств и систем являются цифровые интегральные схемы (ИС). Номенклатура выпускаемых промышленностью цифровых ИС достаточно обширна и, следовательно, весьма разнообразны реализуемые ими функции преобразования. Простейшие преобразования над цифровыми сигналами осуществляют цифровые ИС, получившие названия логических элементов (ЛЭ).

Для описания работы цифровых ИС, а, следовательно, и устройств, построенных на их основе, используется математический аппарат алгебры логики (булевой алгебры). Возможность применения булевой алгебры для решения задач анализа и синтеза цифровых устройств обусловлена аналогией понятий и категорий этой алгебры и двоичной системы счисления, которая положена в основу представления преобразуемых устройством сигналов.

Тематика курсового проекта по «Схемотехнике ЭВМ» охватывает основные разделы этой дисциплины. Задача проекта заключается в выполнении схемотехнического проектирования

6

дискретных устройств на интегральных микросхемах, выполняющих заданные функции преобразования цифровой информации. Объектом курсового проектирования являются арифметико-логические узлы комбинационного типа и синхронные последовательностные схемы, содержащие элементы памяти.

Целью выполнения проекта является:

1)систематизация, закрепление и углубление теоретических знаний;

2)развитие практических навыков по синтезу цифровых устройств;

3)приобретение опыта инженерного расчета цифровых устройств, выполняемых на базе ИС;

4)освоение правил выполнения принципиальных схем цифровых устройств, оформления текстовых и графических материалов.

Впроцессе работы над курсовым проектом должны быть рассмотрены и решены следующие задачи:

1) синтез структуры и разработка принципиальной схемы проектируемого устройства комбинационого типа; анализ быстродействия устройства; моделирование функционирования устройства на компьютере;

2) синтез дискретного устройства последовательностного типа с

памятью на статических триггерах выбранного типа; анализ устойчивости устройства и способности самовосстановления после сбоя.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ УСТРОЙСТВ КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

1.1.Особенности проектирования дискретных устройств комбинационного типа

Комбинационные цифровые устройства (далее будем обозначать через КЦ – комбинационные цепи) – это устройства, выходные сигналы которых в некоторый момент времени работы однозначно определяются лишь сигналами, действующими в тот же момент времени на их входах. В КЦ отсутствуют элементы памяти, поэтому выходные сигналы таких устройств формируются и сохраняются только в период действия входных. КЦ применяются для выполнения целого ряда логических и арифметических преобразований над входными сигналами и используются в качестве шифраторов, дешифраторов, сумматоров, мультиплексоров и других функциональных узлов.

В общем случае проектируемую КЦ можно представить в виде «черного ящика», имеющего m входов и n выходов. Единственно, что изначально известно о КЦ, – это требуемый алгоритм ее функционирования, т. е. характер связи между входными воздействиями и выходными сигналами (реакциями). Требуемый алгоритм функционирования, в общем случае, может быть реализован с помощью различных схем. Проектирование КЦ сводится к нахождению схемы, удовлетворяющей требуемому алгоритму функционирования при двух следующих ограничениях: во-первых, схема КЦ должна быть реализована с помощью ЛЭ заданного функционального полного набора; во-вторых, должна быть определена (выбрана) некоторая, в определенном смысле, наилучшая схема, например, схема, отличающаяся минимумом аппаратурных затрат, т. е. минимальным числом ЛЭ или ИС.

Хотя, по определению, выходные величины КЦ зависят только от текущего значения входных величин (аргументов) и предыстория значения не имеет, во время переходных процессов на выходах КЦ появляются временные сигналы, не предусмотренные описанием работы КЦ и называемые рисками. Со временем они исчезают, и выход КЦ приобретает значение, предусмотренное логической формулой,

8

описывающей работу цепи. После завершения переходных процессов в КЦ на их выходах устанавливаются выходные величины, на которые характер переходных процессов влияния не оказывает. С этой точки зрения переходные процессы в КЦ не опасны. Однако, если КЦ функционируют в составе цифрового устройства совместно с узлами, содержащими элементы памяти (ЭП), ситуация кардинально меняется. Риски могут быть восприняты этими элементами, и, несмотря на исчезновение сигналов рисков на выходе КЦ, необратимое изменение состояния ЭП может радикально изменить работу ЦУ.

Различают статические и динамические риски. Статические риски – это кратковременные изменения сигнала, который должен был бы оставаться неизменным (единичным или нулевым, соответственно чему говорят о 1-риске или 0-риске). Если согласно логике работы КЦ состояние выхода должно измениться, но вместо однократного перехода происходят многократные, то имеет место динамический риск, который проявляется в виде «дребезга» сигнала на выходе ЦУ. При динамических рисках первый и последний переходы всегда совпадают с алгоритмическими, предусмотренными логикой работы схемы. Статический риск такого свойства не имеет и считается более неблагоприятным.

Элементная база КЦ. Для построения КЦ используют интегральные схемы малой и средней степени интеграции – МИС и СИС. Базовым логическим элементом серий ИС транзисторнотранзисторной логики (ТТЛ) является схема И-НЕ. В качестве примера можно привести 555-ю серию. Микросхемы К555 представляют собой цифровые маломощные схемы, выполненные по биполярной технологии на основе транзисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ). В состав этой серии входит функционально полный набор устройств цифровой обработки информации, включая ЛЭ, арифметические устройства, триггеры, счетчики, регистры хранения и сдвига, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, магистральные элементы и др. Микросхемы полностью совместимы с ИС «стандартных» серий К133, К155, КМ155 по логическим уровням, напряжению питания, помехоустойчивости, но при одинаковом быстродействии потребляют в 5 раз меньшую мощность от источника питания на

9

один базовый ЛЭ. Логические уровни напряжения составляют не более 0,4 В при токе нагрузки 8 мА для низкого уровня и не менее 2,4 В – для высокого уровня (для ряда микросхем высокий уровень напряжения 2,5 В). Помехоустойчивость схем – не менее 0,3 В, нагрузочная способность не менее 20 ИС.

В сериях ИС на полевых транзисторах КМДП-типа (комплементарных, т. е. взаимно-дополняющих друг друга транзисторах с индуцированными каналами n- и p-типа), например, в 564-й и в 561-й сериях имеются и логические элементы И-НЕ, и элементы ИЛИ-НЕ. Из простых логических элементов часто применяют схему Исключающее ИЛИ, позволяющую существенно упростить реализацию КЦ. На рисунках 1.1 и 1.2 приведены обозначения некоторых элементов МИС серий ТТЛ (ТТЛШ) и КМДП.

555ЛА3 555ЛА4 555ЛА6 555ЛА2 555ЛП5

Рис.1.1. Логические элементы ТТЛ (ТТЛШ)

10

Рис.1.2. Логические элементы КМДП

Кроме логических элементов, при построении КЦ используют и микросхемы СИС, которые содержат более сложные функциональные узлы широкого применения, такие как мультиплексоры, дешифраторы и шифраторы, двоичные сумматоры, схемы сравнения (компараторы), коммутаторы и т. д.

Рис. 1.3. Интегральные схемы компаратора и сумматора

На рисунке 1.3 представлены две интегральные схемы средней степени интеграции: компаратор четырехразрядных двоичных кодов 555СП1 и четырехразрядный двоичный сумматор с параллельным переносом 555ИМ6. В них предусмотрены входы и выходы для каскадирования с целью наращивания разрядности КЦ.

Процесс проектирования КЦ в общем случае включает следующие этапы: