Раздел 5. Цифровые интегральные микросхемы

Лекция 15. Основные понятия цифровой электроники

1. Представление информации физическими сигналами.

2. Классификация цифровых устройств.

3. Базовые логические элементы.

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

Как известно из курса «Информатики», информация, подлежащая обработке с помощью ЭВМ, предварительно должна быть закодирована, то есть представлена в виде двоичных кодов (с этой целью 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 низкого и высокого уровней, отсутствие и наличие электрического импульса и т. п. Вчастности, в цифровых вычислительных устройствах нашли применение два способа физического представления информации: потенциальный и импульсный.

При потенциальном кодировании (рисунок 1, а) значению переменной 1 соответствует один уровень напряжения (высокий – при положительной логике, низкий – при отрицательной), а значению переменной 0 – другой (соответственно низкий – при положительной логике и высокий – при отрицательной). Потенциальный сигнал сохраняет постоянный уровень в течение некоторого интервала времени, называемого тактом, а его значение в переходные моменты не является определенным.

Р исунок 1

При импульсном кодировании (рисунок 1, б) единичное и нулевое значения двоичной переменной отображаются, соответственно, наличием и отсутствием электрического импульса (или разнополярными импульсами) в соответствующем такте.

Для того чтобы согласовать функционирование отдельных элементов и узлов 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 генератор тактовых импульсов (ГТИ), вырабатывающий синхронизирующие сигналы (СС) (или тактовые импульсы (ТИ)). Синхронизирующий сигнал представляет собой непрерывную последовательность коротких прямоугольных импульсов, как правило, с высокой стабильностью периода повторения.

2 Классификация цифровых устройств

В соответствии с принятым способом представления двоичной 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, то есть значения всех разрядов двоичного слова передаются по нескольким линиям одновременно.

В зависимости от применяемого кода устройства вычислительной техники подразделяют на последовательные и параллельные. 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.

По принципу действия все логические устройства делятся на два класса: комбинационные схемы и цифровые автоматы (последовательностные устройства).

Комбинационными схемами (автоматами без памяти) называют логические устройства, выходные сигналы которых (выходное слово Y) в любой дискретный момент времени t_i однозначно определяются только входными сигналами (входным словом Х), поступающими в тот же момент времени.

Комбинационную схему можно представить в виде т-k-полюсного элемента (рисунок 2). Входное двоичное слово (входной алфавит) комбинационной схемы задается набором символов х_i (Х = (х₁ х₂ ... х_т)), а выходное слово (выходной алфавит) принимает значения из выходных символов у_j (Y = (у₁ у₂ ... у_k).

Рисунок 2

Закон функционирования КС определен, если задано соответствие между ее входными и выходными словами, например, словесно, в виде таблицы истинности или в аналитической форме с использованием булевых функций.

Цифровым автоматом (последовательностным устройством) называют логическое устройство, выходные сигналы которого (выходное слово Y) определяются не только действующей в данный момент времени t_i комбинацией входных переменных (входным словом Х), но и внутренним состоянием устройства, которое явилось результатом воздействия на него входных слов в предыдущие такты (t_i-1, t_i-2 и т. д.).

Таким образом, комбинация входного слова и текущего состояния автомата в данном такте определяет не только выходное слово, но и то состояние, в которое автомат перейдет к началу следующего такта.

Структурная схема цифрового автомата показана на рисунке 3. Как видно из рисунка, цифровой автомат содержит память, состоящую из запоминающих элементов (ЗЭ) – триггеров, элементов задержки и др., фиксирующих состояние, в котором он находится. В комбинационной схеме отсутствуют ЗЭ, поэтому ее называют автоматом без памяти или примитивным автоматом.

Автомат с памятью задается тремя наборами переменных: Х, Y и Q, то есть Y = f(X, Q) где Q – набор переменных, которые отображают внутреннее состояние схемы.

Р исунок 3