13.2 Характеристика последовательного и параллельного способов передачи информации

При последовательной передаче биты передаются один за другим. При параллельной передаче два или более бита идут одновременно по отдельным линиям. Конечно, параллельные каналы обеспечивают большую скорость, однако и более дороги, поэтому используются, если увеличение скорости передачи более важно, чем уменьшение затрат.

В параллельном интерфейсе одновременно передается сразу несколько бит информации (например, 5,7 или 8 бит), причем, каждый передается по своей отдельной линии связи (проводу). Главное достоинство параллельных интерфейсов в высокой скорости передачи. Используются они, как правило, для передачи данных внутри компьютера. Примером могут быть внутренние шины компьютера (точнее, шины адреса и данных). Параллельные интерфейсы часто применяются для связи с быстродействующими устройствами при условии, что длина линий связи между устройством и компьютером не превысит 2-3 метров.

Последовательный интерфейс передает информацию бит за битом, для чего требуется только одна линия связи. Для контроля и управления передаваемыми данными, при передаче информационных битов к ним добавляется группа служебных битов.

Билет №14

14.1 Сенсорные устройства* (см. Билет №2 – 2.2)

14.2 Общие сведения об R-С цепях (без схем)* (см. Билет №7 – 7.1)

Билет №15

15.1 Буквенное обозначение входов и выходов цифровых устройств см. в тетради по практике

15.2 Основные характеристики ТТЛ-логики (таблица) см. в тетради по ЦСТ

Билет №16

16.1 Базовый элемент ТТЛ (К155)

МКС серии К155 имеют свыше 100 типов номиналов (т.е. схема одна и та же, а номинальные значения разные).

Схема состоит из трёх каскадов (схему см. в тетради по ЦСТ):

1. входной каскад – R1, VT1;

2. фазорасщепительный – R2, VT2, R3, R4, VT3; узел R3-R4-VT3 служит для улучшения передаточной характеристики-зависимости выходных сигналов от входных, повышает помехоустойчивость;

3. выходной – R5, VT4, VD5, VT5.

Диоды VD1 – VD4 называют антизвонными. При нормальном использовании МКС они смещены в обратном направлении  R возрастает  диоды не оказывают влияния на работу схемы.

Если на входе МКС появится отрицательное относительно общей шины напряжение, нужный диод откроется и удержит это напряжение на безопасном уровне (–0,7 В) для входного транзистора. Ток через эти диоды не должен превышать 10 мА.

16.2 Графическое обозначение цифровых устройств см. в тетради по практике

Билет №17

17.1 Базовый элемент ТТЛ с малым потреблением мощности

Схему см. в тетради по ЦСТ

17.2 Серии и последовательности импульсов* (см. Билет №5 – 5.1)

Билет №18

18.1 ТТЛ с повышенным быстродействием

Повысить быстродействие ТТЛ можно двумя способами: 1) уменьшить сопротивление резисторов и паразитные ёмкости; 2) предотвратить насыщение транзисторов схемы, а  накопление носителей зарядов в их базе.

Оба способа равнозначно применяются на практике.

На рисунке (см. в тетради по ЦСТ) изображена схема базового элемента ТТЛ с повышенным быстродействием. В данной схеме входной каскад имеет пару совмещённых транзисторов (схема Дармингтона). Такое соединение транзисторов позволяет уменьшить выходное сопротивление, а  повысить быстродействие схемы.

18.2 Понятие импульса. Формы импульса (см. Билет № – 4.1)

Билет №19

19.1 Базовый элемент ТТЛШ

В МКС ТТЛ с диодами Шотки, как и в универсальных ТТЛ, переключения сопровождаются бросками тока в цепи питания. Потребляемая мощность быстро возрастает с частотой переключений (схему см. в тетради по ЦСТ).

19.2 Логический элемент И (см. Билет №1– 1.2)

Билет №20

20.1 ТТЛШ с малым потреблением мощности

В маломощных МКС ТТЛШ сочетается высокое быстродействие с умеренным потреблением мощности. При одинаковом быстродействии с универсальной ТТЛ потребляемая мощность в 5 раз меньше.

Основным отличием данной схемы (схему см. в тетради по ЦСТ) является то, что на входе, вместо многоэммиторного транзистора, стоят диоды Шотки. Благодаря этому свободные входы могут непосредственно подключаться к шине питания. Допустимые помехи для этой серии немного меньше из-за того, что между базой входного транзистора VT1 и землёй находятся два p-n перехода, а не три, как у других серий ТТЛ.

20.2 Законы алгебры логики (см. Билет №2 – 2.1)

Билет №21

21.1 Основные параметры ИМС (см. в тетради по ЦСТ)

21.2 Логический элемент НЕ (см. Билет №5 – 5.2)

Билет №22

22.1 Многоэммиторный транзистор

Основная особенность МКС ТТЛ состоит в том, что во входной цепи используется специфический интегральный прибор – многоэммиторный транзистор.

На рисунке (см. в учебнике на стр. 77) представлена схема базового логического элемента И-НЕ серии К134. Функция И реализуется в большинстве ТТЛ-серий на многоэммиторном транзисторе VT1, функция НЕ – на двухтактном инверторе с использованием транзисторов VT2 – VT4. Диод VD1 служит для увеличения помехоустойчивости логического элемента при входном напряжении. Выполенение схемы И на многоэммиторном транзисторе с общими для всех эммитеров базой и коллектором позволяет заметно уменьшить паразитную ёмкость элемента И и тем самым повысить быстродействие логического элемента, а также уменьшить площадь логического элемента на кристалле.

Структуру и УГО многоэммиторного транзистора см. в тетради по ЦСТ.

22.2 Понятие ИМС. Степень интеграции

Цифровые ИМС – это электронные устройства, обеспечивающие строительство практически всех узлов и блоков ЭВМ и других цифровых устройств, в которых обрабатываемая информация представлена в виде двоичных чисел.

Виды ИМС по степени интеграции:

1. МИС – МКС малой степени интеграции; до 10-ти элементов в одном корпусе;

2. СИС – средняя степень интеграции; от 10-ти до 100 элементов;

3. БИС – большая интегральная схема; от 100 до 1000 элементов;

4. СБИС – сверхбольшая интегральная схема; от 1000 до 10 000 элементов;

5. свыше 10 000 элементов.

Степень интеграции определяется по формуле: k=lgN, где N – количество элементов в схеме.

Степень интеграции является показателем сложности ИМС.

Билет №23

23.1 Общие сведения о комбинационных устройствах

Комбинационными устройствами называются устройства, не обладающие памятью. К ним относятся DMX, MUX и арифметические устройства.

Арифметические устройства предназначены для выполнения арифметических действий с двоичными числами: сложение, вычитание, умножение, деление и сравнение. Помимо этого может выполняться операция по выявлению чётности заданных чисел (определение паритета).

Особенность арифметических устройств состоит в том, что сигналам 0 и 1 приписывается не логическое, а арифметическое значение и действия над ними подчиняются законам алгебры логики.

Арифметические устройства выпускаются в виде готовых изделий в составе многих серий цифровых МКС.

Арифметические в свою очередь делятся на сумматоры и субтракторы.

По характеру действия сумматоры делятся на комбинационные, не обладающие элементом памяти и накопительные, сохраняющие результат.

Как самостоятельное устройство в интегральном исполнении сумматоры только комбинационные.

По характеру обработки чисел они делятся на последовательные и параллельные.

Полусумматор имеет только 2 входа и пригоден для использования только в младшем разряде.

Полусубтрактор по принципу действия имеет два входа: уменьшаемое и вычитаемое. Поэтому может быть использован только в высшем разряде многоразрядного вычитателя. Во всех других разрядах должны быть полые вычитатели, которые имеют третий вход для приёма сигнала займа.

В виде самостоятельных изделий вычитатели не производятся. При необходимости проектируются на базе сумматоров, так как в устройствах дискретной техники операция вычитания обычно заменяется сложением, при котором вычитаемое представляется в дополнительном коде.

С помощью MUX осуществляется временное разделение информации, поступающей по разным каналам.

MUX – это устройство, коммутирующее в желаемом порядке информацию, поступающую с нескольких входных шин на одну выходную.

MUX имеет две группы входов один (реже два) взаимодополняющих выхода. Одна группа входов информационные, другая – управляющие. Управляющие делятся на разрешающие (стробирующие) и адресные.

DMX в функциональном отношении противоположны MUX. Здесь сигналы с одного информационного входа распределяются в желаемой последовательности по нескольким выходам.

23.2 Преобразование транзистора в транзистор Шотки

Для получения транзистора Шотки диод Шотки включают параллельно коллекторному переходу. Он придаёт транзистору новые свойства, основное из которых - повышенное быстродействие. Графическое изображение последовательности преобразования см. в тетради по ЦСТ.

Билет №24

24.1 MUX

С помощью MUX осуществляется временное разделение информации, поступающей по разным каналам.

MUX – это устройство, коммутирующее в желаемом порядке информацию, поступающую с нескольких входных шин на одну выходную.

MUX имеет две группы входов и один (реже два) взаимодополняющих выхода. Одна группа входов информационные, другая – управляющие.

Управляющие входы делятся на адресные и разрешающие (стробирующие).

Если MUX имеет n-адресных входов, то число информационных входов – 2ⁿ.

Набор сигналов на адресных входах однозначно определяет конкретный информационный вход, с которого информация будет поступать на выход.

Стробирующий вход одновременно управляет всеми информационными входами, независимо от состояния адресных входов.

Запрещающий сигнал на этом входе блокирует действие всего устройства. Наличие этого входа расширяет функциональные возможности MUX:

1. позволяет синхронизировать работу MUX с последующими узлами;

2. при помощи этого входа осуществляется наращивание MUX.

Схема 1 обеспечивает коммутацию информационных цепей при помощи механических устройств (переключателей и реле) без вмешательства в управляемые цепи. Переключатель S играет роль адресного устройства и положение его контактов определяет, какой информационный сигнал x₁ или x₂ поступит на выход. Добавлением логических элементов  можно увеличить число входных информационных шин.

В схеме 2 переключение входных цепей осуществляется одним внешним сигналом. Когда А=1 – F=X₁, А=0 – F=X₂.

Наращивание MUX. У MUX как самостоятельных устройств число информационных входов не превышает 16. Наращивание осуществляется двумя способами, которые равнозначно применяют на практике:

1. последовательное соединение разрешающих входов и внешних логических элементов;

2. древовидный (пирамидальный) способ; пирамидальные MUX строятся по ступенчатому принципу, обычно применяют 2 (реже 3) ступени.

3. Пирамидальный характер схемы заключается в том, что каждая ступень, начиная с 1-й, имеет большее число входов, чем последующая. Младшие разряды кода адреса подаются на адресные входы 1-й ступени, а ступеням более высокого ранга соответствуют старшие разряды адресного кода (кода адреса).

24.2 Параметры ИМС* (см. Билет №21 – 21.1)

Билет №25

25.1 DMX

DMX в функциональном отношении противоположны MUX. Здесь сигналы с одного информационного входа распределяются в желаемой последовательности по нескольким выходам. Выбор нужной выходной шины, как и в MUX, обеспечивается кодом на адресных входах. При m адресных входах DMX может иметь, в зависимости от конструкции, до 2ⁿ выходов.

Идею работы DMX поясняет рисунок 1. Вход x – информационный, вход А – адресный. Потенциал на входе определяет, на каком из выходов будут формироваться сигналы, повторяющие х. Когда А=1, верхний элемент И заперт и на выходе его f₀=0. Нижний элемент напротив открыт и работает как повторитель информационных сигналов. При А=0 заперт нижний элемент, а верхний пропускает входную информацию.

DMX ТТЛ с большим числом входов работают по тому же принципу, только имеют более сложную схему.

Логическая структура простого DMX вида 1:4 представлена на рис. 2. Здесь В и А – адресные входы, х – информационный, V – разрешающий.

Работу устройства описывают следующие булевые уравнения:

DC (декодором) называют устройства с несколькими входами и выходами, у которого адресным комбинациям входных сигналов соответствует активное состояние одного из выходов. DC можно рассматривать как обращённый по входам DMX, у которого адресные входы стали информационными, а бывший информационный вход, на который подаётся напряжение определённого уровня (U⁰ или U¹), поддерживает напряжение выходных выводов в активном состоянии – это следует из рис. 1.

Если у DMX 1:4 на информационном входе поддерживать потенциал U⁰ или на разрешающем входе U¹, то прибор будет работать как DC 2:4. Таким образом между обоими типами рассматриваемых устройств не принципиальной разницы, а различие сводится к виду сигналов на одиночном входе: если они меняются во времени – это DMX; если не меняется – DC. У DC этот вход нередко отсутствует, и выходные сигналы на активном выходе имеют одно, на перёд известное значение.

DC и DMX, оформленные как МКС средней степени интеграции широко применяются в информационно-измерительной технике. Как и MUX они часто используются в сочетании с счётчиками и регистрами, они служат в качестве коммутаторов – распределителей информационных сигналов и синхроимпульсов, для демультиплексирования данных и организации адресной логики оперативных и постоянных запоминающих устройствах, а также для преобразования двоично-десятичного входа в десятичный с целью управления индикаторными и печатающими устройствами. Число выходов и распределение сигналов на них определяется характером предлагаемой нагрузки.

25.2 Системы счисления (см. Билет №8 – 8.2)

Билет №26

26.1 Сумматоры

По характеру действия сумматоры делятся на комбинационные, не обладающие элементом памяти и накопительные, сохраняющие результат.

Как самостоятельное устройство в интегральном исполнении сумматоры только комбинационные.

По характеру обработки чисел они делятся на последовательные и параллельные.

В последовательных обработка чисел осуществляется поразрядно последовательно во времени.

В параллельных сложение всех разрядов многоразрядных чисел осуществляется одновременно.

Полусумматор имеет только 2 входа и пригоден для использования только в младшем разряде.

Устройство для суммирования многоразрядных чисел должно иметь третий вход для сигнала переноса. В нём А_iВ_i – слагаемые, Р_i-1 – вход переноса (начиная со второго разряда).

Процедура суммирования двух n – разрядных двоичных чисел:

1. складывается две цифры A₁B₁=получается S₁ и перенос P₁;

2. во 2-м разряде происходит сложение А₂В₂Р₁=S₂ и перенос Р₂…далее аналогично по всем разрядам.

Операция сложения подчиняется переместительному закону, поэтому входы сумматора можно менять местами без ущерба для результата.

Рисунки см. в тетради по ЦСТ.

26.2 Основные понятия алгебры логики

Все схемы вычислительных устройств построены на элементах, выполняющих логические операции. Такие элементы принято называть логическими. Они используются для оценки и решения задач алгебры логики.

Под высказыванием понимается любое утверждение, о котором можно сказать, что оно истинно или что оно ложно. Одно из высказываний принимают за 1 другое за 0.

При конкретной физической реализации логических состояний используются элементы, для которых характерны два устойчивых состояния.

Физическая величина, подвергаемая логическим преобразованиям, называется переменной или аргументом и представляется как более положительная (Н) или менее положительная (L). Этим двум значениям, называемым логическими уровнями, условно присваиваются значения 1 и 0 или наоборот 0 и 1 в зависимости от принятого соглашения.

Логические переменные могут подвергаться различным преобразованиям с использованием логических элементов. Такие преобразования описываются с помощью переключательных функций.

Функция от входных переменных называется переключательной, если она так же, как и её аргументы, принимает два значения: логическую 1 или логический 0.

Любая функция может быть задана в виде формул и в виде таблиц истинности.

Билет №27

27.1 Субтракторы

Полусубтрактор по принципу действия имеет два входа: уменьшаемое и вычитаемое. Поэтому может быть использован только в высшем разряде многоразрядного вычитателя. Во всех других разрядах должны быть полые вычитатели, которые имеют третий вход для приёма сигнала займа.

В виде самостоятельных изделий вычитатели не производятся. При необходимости проектируются на базе сумматоров, так как в устройствах дискретной техники операция вычитания обычно заменяется сложением, при котором вычитаемое представляется в дополнительном коде.

27.2 Переключательная функция одной переменной* (примечание: часть из вопроса 1.1 Билет №1 см. на стр. 45 в учебнике)

Билет №28

28.1 Двунаправленный ключ

Двунаправленный ключ (двунаправленный переключатель) представляет собой специфический узел из КМОП-транзисторов и не имеет функциональных аналогов среди МКС других видов логики.

Двунаправленный ключ можно уподобить реле, управление которым осуществляется без затрат мощности. На ряду с инверторами двунаправленные ключи находят применение во многих функционалах не только дискретной, но и аналоговой техники. Они производятся как в составе различных изделий, так и в виде самостоятельных МКС.

Рисунок см. в тетради по ЦСТ.

Двунаправленный ключ состоит из двух МДП-транзисторов с каналами разных типов проводимости. Истоки (стоки) и стоки (истоки) соединены и выведены наружу. Управление осуществляется взаимоинверсными сигналами V и Vи (примечание: и-это значит инверсный), которые поступают на затворы транзисторов. Питающее напряжение подаётся на выводы подложек: +U_п для p-канального транзистора и –U_п (общая точка) для n-канального транзистора.

Оба транзистора открыты, когда потенциал затвора p-канального транзистора равен или близок –U_п.

Проводящие каналы обоих транзисторов имеют небольшое сопротивление (от 100 до 1000 Ом) и обладают двусторонней проводимостью между точками А и Б. Двусторонняя проводимость обеспечивается благодаря тому, что МДП-транзистор сохраняет работоспособность, когда истоки и стоки меняют местами.

Параллельное включение транзисторов уменьшает общее сопротивление. Благодаря параллельному соединению двух ключей с каналами разных типов проводимости коммутируемые сигналы не зависят от порогов отпирания ключей и могут изменяться в пределах напряжения питания.

Результирующее сопротивление проводящих каналов обоих транзисторов в открытом состоянии R_пр определяется входным напряжением, разностью потенциалов между обоими подложками (т.е. U_п) и … . Сопротивление каналов имеет активный характер и линейно в рабочем диапазоне входных напряжений. Реактивные составляющие не проявляются вплоть до нескольких МГц. По этим причинам двунаправленные ключи используют для коммутации как дискретных, так и аналоговых сигналов.