Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

емоесхемой «И», называетсяконъюнкцией, или логическим умножением. Оно выражается привычной для нас формулой:

где X1 и X2 - сигналы на входах.

В самом деле, рассматривая таблицу истинности для схемы «И» (табл. 6.1), можно заметить, что так оно и есть: если хотя бы один из сомножителей X1 или X2 равен нулю, то Y = 0 тоже.

Действие, осуществляемое схемой «ИЛИ», называется дизъюнкцией, или логическим сложением. Соответственно, его также можно

Таблица истинности (табл. 6.2) даёт возможность убедиться в этом. Правда, нам придется допустить, что 1+1=1. Но в логической алгебре это справедливо. Этоозначает, чтоесли издвух событий, каждоеиз которых обуславливает какое-то третье, выполняются сразу оба, то и третье событие также выполняется. Например, утверждение: «Я пойду в театр, если достану билет или меня кто-то пригласит». Ясно, что если есть и билет и приглашение, то в театр Вы попадаете.

Действие, выражаемое схемой «НЕ», называется инверсией, или логическим отрицанием. Его алгебраическая запись:

В обычной алгебре для него нет аналога.

Итак, мы видим, что существуют особые, логические действия. Из них можно составлять сложные выражения – логические функции. Их можно преобразовывать так же или почти так же, как и обычные алгебраическиевыражения. Рассмотрениюлогических выражений посвящен целый раздел математики, называемый логической алгеброй или булевой алгеброй – по имени её изобретателя Дж. Буля. Мы сейчас не будем изучать логическую алгебру. Но для нас чрезвычайно важно вот что: ведь по любому алгебраическому выражению можно сконструировать схему, содержащую малые интегральные схемы «И», «ИЛИ», «НЕ». Эта схема может быть простой или сложной в зависимости от сложности алгебраическоговыражения, покоторомуонаконструируется.Значит,мыдолжны научиться упрощать алгебраические выражения или, как говорят, ми-

172

нимизироватьих. Выпишем основныесоотношениялогическойалгебры, на основекоторых проводитсяминимизациялогическихфункций:

Надэтими выражениями надо немногоподумать итогда смысл их ста-

новится понятным. Например, последнее выражение ( X X 1) можно прочитать так: «Некое событие Х произойдет, или не произойдет». Ясно, что это утверждение абсолютно правильно, т.е. сумма равна логической единице. А другое выражение: «Событие Х произойдет и то же событие непроизойдет» -невыполнимо, ложно, т.е. произведениеравно нулю.

Поупражняемсявсоставлении логических выражений. Запишем, например, в виде формулы следующее утверждение: «Я пойду в театр (Т), если достанубилет (Б), или меня кто-нибудь пригласит (П), и если не поеду в экспедицию (Э)». Здесь каждое переменное (Т, Б, П, Э) может принимать значение1 или 0 («в театр пойду– непойду», «билет достану– не достану» и т.д.). Тогда формула для упомянутого утверждения будет выглядеть так:

Составить её было просто – достаточно лишь внимательно прочитать сказанное утверждение. Но вот пример посложнее. Предположим, нужно сконструировать электронную систему для голосования. Проект принимается большинством голосов. Пусть голосующих всего трое (Х1, Х2, Х3), каждый из них может нажать кнопку «за» (Хi = 1) или не нажать её, а в случае принятия проекта загорается лампочка (Y =1). Из этих пожеланийлогическоговыражениянесоставить.Но,исходяизних,можно составить таблицу истинности для такой схемы (табл. 6.4).

А теперь внимательно рассмотрим эту таблицу и составим сначала словесное выражение для искомой формулы:

«Y = 1 в случаях, если Х1 1 и Х2 = 1 и Х3 = 1,

или если Х1 = 1 и Х2 1 и Х3 = 1, или если Х1 = 1 и Х2 = 1 и

Х3 1, или если Х1= 1 и Х2 = 1 и Х3 = 1».

173

Таблица 6.4

Таблицаистинностисхемыэлектронногоголосованиядлятроихголосующих

Формула у нас теперь получится такая:

Для реализации схемы, составленной по этой формуле, понадобится восемь схем «И», три схемы «ИЛИ» и три схемы «НЕ». Посмотрим, нельзя ли минимизировать её. Согласно одному из соотношений (6.9), к любому слагаемому можно прибавить любое число таких же слагаемых без изменения результата. Прибавим к выражению (6.9) два слагаемых Х1 Х2 Х3, а затем сгруппируем их и воспользуемся ещё одним соотношением (6.9): Х + Х = 1. Получим:

Y (X1 X2 X3 X1 X2 X3 ) (X1 X2 X3 X1 X2 X3 )

(X1 X2 X3 X1 X2 X3 ) X2 X3 (X1 X1 ) X1 X3 (X2 X2 )

X3 (X1 X2 ) X1 X2

Дальнейшееупрощение,видимо, невозможно. Мы пришли,какговорят, к тупиковой форме выражения. Для её схемной реализации необходимо лишь две схемы «И» и две схемы «ИЛИ» (рис. 6.9).

Сформулируемтеперьобщиепринципы конструированиялогических электронных схем. Пусть схема имеет К входов и i выходов. Для её конструирования необходимо следующее:

1. Составить таблицу истинности длявсех функций Yi .

174

Рис. 6.9. Схема электроннойсистемыдляголосования стремявходами

2.Составить алгебраическиевыражениядлякаждой функции Yi.Для этого в таблице истинности выделяются строчки, соответствующие Yi = 1

исоставляется сумма произведений всех аргументов Хk, причём если в данной строке Хk = 0, то его значение инвертируется.

3.Минимизировать полученное выражение, приведя к одной из тупиковых форм.

4.Сконструировать электронную схему.

Пользуясь этими рекомендациями, можно составить любую, сколь угодно сложную схему! Главное – правильно составить таблицу истинности. Приведём таблицуистинности дляэлектронногопреобразователя кодов, назначениекоторогозажечь элементы цифровогоиндикатора, изображенного на рис. 6.10. Такая схема должна иметь семь выходов – по числу элементов индикатора. Если на соответствующий выход подается напряжение (Y = 1), то элемент загорается. Очевидно, чтобы зажечь цифру«0»,нужноподатьнапряжениенавсевыходы,кромеY4 (Y1=1,Y2 =1,

175

Таблица 6.5

Таблицаистинностиэлектронногопреобразователякодов

ма, будут достаточно сложными. Но, как мы увидим далее, вовсе не нужно каждый раз составлять схему из простейших элементов. Достаточно сделать эту процедуру один раз, а в дальнейшем пользоваться стандартными схемами, выполняющими ужеболее сложныеоперации.

Теперь мы знаем, что из малых интегральных схем (МИС) можно собирать любые сложные логические схемы. На практике, однако, так почти никогда непоступают. Делов том, чтопромышленность выпускает уже готовые схемы, каждая из которых выполняет определенный набор операций. В зависимости от степени интеграции, т.е. от решаемых задач, логические схемы разделяют на средние интегральные схемы (СИС)

и большие интегральные схемы (БИС). Иногда выделяют ещё сверх-

большие интегральные схемы (СБИС). СИС обычно реализуют какую– либо однуфункцию, БИС и СБИС – целый набор функций. БИС и СБИС называют еще микропроцессорами.

6.5.Средние интегральные схемы

Вэтом разделе мы рассмотрим некоторые СИС, необходимые для дальнейшегопониманияцифровойтехники.

1. Шифраторы

Представим себе, чтомы вводим информациюв некотороеустройство(например,ЭВМ)спомощьюклавиатуры.Нолюбоецифровоеустройст-

176

во требует введения информации в виде двоичного цифрового кода, с которым мы ужезнакомы. Значит, при нажатии определенной клавиши, например,сцифрой 6, необходимо,чтобывходноеустройствосформировало двоичныйкод,соответствующийчислу,изображенномунаклавише(вданном случае – 110). Такое устройство называется шифратором (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Схемное обозначениешифратора, снабженного входом стробирования

Он имеет несколько выходов, на любой из которых может быть подана логическаяединица, и нескольковыходов, на которых возникает сигнал в видепараллельного двоичногокода. Очевидно, если число выходов К, то число входов 2к. Как правило, шифратор снабжается еще одним входом (Р), на который обычно подается логическая единица, если мы хотим разрешить возникновение входного сигнала. Если на вход Р подается логическийноль, тосигналана выходеневозникает, шифраторне работает. Этот вход называют входом разрешения или входом стробирования.

Шифратор, какивсеСИС,конструируетсянаосновеМИС. Методика его конструирования обычная для всех логических схем – ее мы изучали

впредыдущем разделе.

2.Дешифраторы

Задача, которуювыполняет дешифратор, является обратной поотношению к той, которую выполняет шифратор. Дешифратор используется в тех случаях, когда нужноподать напряжениена один измногих проводников (например, зажечь одну из многих лампочек), причём номер этого проводника определяется входным сигналом в двоичном коде. Предположим, на входы подается число 6 в двоичном коде (110) – на шестом выходе возникает логическая единица, на остальных – нули. Дешифратор имеет К входов и 2к выходов. Он также может быть снабжен входом стробирования. Его схемное обозначение показано на рис. 6.12.

Обычно шифраторы используются во входной части цифровых устройств, а дешифраторы – выходной части. Сложность шифратора и дешифратора определяется, в основном, количеством входов и выходов, т.е. числом разрядов двоичного кода, которое может воспринять схема.

177

Рис. 6.12. Схемное обозначение дешифратора, снабженного входом стробирования

3. Преобразователи кодов

Эти СИС предназначены для преобразования сигнала из одногокода в другой. Например, мы имеем сигнал в двоичном коде, необходимо его преобразовать в код управления семиэлементным цифровым индикатором. Эту задачу мы уже решали (табл. 6.5). Можно сказать, что преобразователь кодов представляет собой ПЗУ: входной сигнал – это адрес ячейки, в которую записан соответствующий выходной сигнал. Совершенно очевидно, что числовходов преобразователякодов i (как и числовыходов k) не является строго определенным.

Числа i иkопределяютсяструктурой выходногоивыходногосигнала. Можносебепредставить,например,чтоцифровой индикатор являетсяболеесложным, составленным из светящихсяточек:7 точекпогоризонтали и9 повертикали дляодногознака. Тогда, соответственно,преобразователь кодов будет иметь 63 выхода. Таблица истинности для него будет более сложной. Можнопредставить себепреобразователь сигнала издвоичного кода в десятичный (или обратно!), из двоичногов шестнадцатеричный и т.д. Мы уже знаем, что двоичный код является наиболее употребительным в цифровой технике, нонеединственным. Поэтомупреобразователи кодов присутствуют в каждом цифровом приборе. Схемное изображение преобразователя кодов показано на рис. 6.13. Он также может быть снабжен выходом стробирования (Р).

Особо скажем о преобразователях последовательного кода в параллельный и параллельного - в последовательный. Ведь любой цифровой

Рис. 6.13. Схемное обозначениепреобразователякодов

178

сигнал – комбинациянулей и единиц -может быть передан либосразу, по многим проводам (в параллельном виде), либо все элементы передаются по очереди, один за другим, по одному проводу (в последовательном виде). Возьмём любуюизрассмотренных СИС. Мы молчаливопредполагали, что входной сигнал поступает одновременно на все входы, и при этом одновременно на всех выходах возникает выходной сигнал. Значит, все эти СИС работают с параллельными кодами. А между тем сигналы передаются по линиям связи чащевсего в последовательном коде. Отсюда ясно, что должны существовать соответствующие преобразователи.

Эти преобразователи представляют собой ячейки памяти ОЗУ, в которых сохраняется один бит информации. Ячейки эти (например, триггеры) соединены так, что информация (0 или 1) может последовательно переходить из первой ячейки во вторую, затем в третью и т.д. Таким образом, всеячейки могут быть заполнены последовательнопоступающими импульсами.Послеэтогосигнал,поступившийодновременнонавсеячейки, переводит всю содержащуюся в них информациюв многопроводную линиюсвязи,т. е. преобразуетсигнал в параллельный код. Обратноепреобразованиепроизводитсявобратномпорядке:ячейкиодновременнозаполняются нулями и единицами с многопроводной линии связи, а затем импульсы, поступающиесоспециальноготактовогогенератора на крайнюю ячейку, последовательно вытесняют всю информацию в однопроводную линиюсвязи.

4. Счётчики

В цифровой технике часто встречается задача сосчитать количество импульсов, приходящихскакого-либоустройства, например,сгенератора прямоугольных импульсов. Разумеется, ответ должен быть дан в цифровом коде – чаще всего в двоичном. Для этого используются счётчики.

Схема счётчика представляет собой последовательно соединенные триггеры (рис. 6.15), разделенныедифференцирующими диодно-ёмкост- ными цепочками. Послепрохождениячерез конденсаторыпрямоугольный импульс дифференцируется - преобразуется в два мгновенных импульса (рис. 6.14, а, б). Диоды пропускают лишь отрицательныеимпульсы (рис. 6.14, в).

Этот отрицательный импульс возникает в момент прохождения заднегофронтавходногопрямоугольногоимпульса.Следовательно,вэтотмомент на оба входа триггера поступает отрицательный импульс.

Триггер срабатывает и на еговыходе(Y1)возникает инверсноенапряжение (логическая единица). Второй входной импульс также дифферен-

179