- •Введение.
- •Цифровые устройства.
- •1. Комбинационные цифровые устройства.
- •1.1. Сумматор.
- •1.2.Шифраторы.
- •1.3.Дешифраторы.
- •1.4. Кодопреобразователь.
- •1.5. Коммутационные схемы.
- •1.5.1. Мультиплексоры.
- •1.5.2. Демультиплексор.
- •1.5.3. Мультиплексор-демультиплексор (универсальный коммутатор).
- •2. Конечные автоматы (последовательностные устройства).
- •2.1. Триггеры.
- •2.1.2. Асинхронный rs-триггер.
- •2.1.3.Синхронный rs-триггер.
- •2.2. Счетчики.
- •2.3. Регистры.
- •Литература.
- •1. Комбинационные цифровые устройства. 4
- •2. Конечные автоматы (последовательностные устройства). 16
-
Введение.
Все современные устройства вычислительной техники строятся на основе больших интегральных схем (БИС), представляющих собой кристаллы с высокой степенью интеграции элементов. По своим функциональным возможностям такие БИС разделяются на кристаллы со связанной логикой и кристаллы с программируемой логикой. В кристаллах со связанной логикой существует определенный набор функциональных узлов. Каждый узел и входящие в него устройства имеют строго закрепленные адреса. Коды команд, приводящих в действие такие кристаллы, содержат адреса узлов и устройств, входящих в эти узлы. С помощью этих адресов осуществляются необходимые коммутации. Таким образом устанавливаются связи между устройствами, входящими в состав кристалла и производятся предписанные программой действия. В программируемой логике кристалл представлен набором некоторых базовых элементов, из которых строится схема. Чтобы создать заданное устройство в таком кристалле, необходимо запрограммировать точки связей. В дальнейшем такая БИС используется точно также, как и кристалл со связанной логикой, с той лишь разницей, что при необходимости точки связей можно перепрограммировать, получив совершенно новую схему.
Существуют цифровые, аналоговые и цифро-аналоговые БИС. Мы будем рассматривать цифровые БИС. Изучение строения и функционирования таких устройств включает в себя три этапа:
-
изучение базовых цифровых устройств;
-
изучение принципов построения БИС с программируемой логикой и синтез схем на базе таких кристаллов;
-
изучение принципов функционирования кристаллов со связанной логикой.
-
Цифровые устройства.
Все цифровые устройства строятся на основе логических элементов. Логические элементы – это схемы, построенные на полупроводниковых переходах. Таким образом, цифровые устройства предполагают работу с двумя уровнями напряжения: высоким, снимаемым с запертого перехода и низким, снимаемым с открытого перехода. В цифровой технике эти уровни именуются единицей – «1» и нулем – «0». Функционирование таких устройств описывается уравнениями алгебры логики.
Вкратце напомним логические действия. Это:
-
логическое сложение, дизъюнкция – ИЛИ (OR);
-
сложение по модулю два, исключающее ИЛИ (XOR);
-
логическое умножение, конъюнкция – И(AND);
-
отрицание, инверсия – НЕ(NOT).
Условное обозначение элементов и таблицы их функционирования.
Функция ИЛИ.
Уравненние: y=x1v x2 v…v xn
x2 x1 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
Таблицы функционирования
для n
=2(табл.1) и n
=3 (табл.2). Блок-схема элемента (рис.1)
-
Рис.1
-
Табл.1
x3 x2 x1 y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1
.
-
Табл.2
Функция исключающее ИЛИ.
Уравнение: y=x1 x2
Таблица функционирования (табл.3). Блок-схема элемента (рис.2)
x2 x1 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
-
Рис.2 Табл.3
Функция И.
Уравнение: y = x1 x2 … xn
Таблицы функционирования n =2(табл.4) и n =3 (табл.5). Блок-схема элемента (рис.3)
x2 x1 y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
Рис.3 Табл.4
x3 x2 x1 y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1
Табл.5
Функция НЕ.
Уравнение: y =x
Таблица функционирования (табл.6). Блок-схема элемента (рис.4).
x y 0 1 1 0
Рис.4 Табл.6
Для структур, построенных на транзисторно-транзисторной логике, базовыми являются элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ, т.к. они содержат наименьшее количество переходов.
Функция ИЛИ-НЕ.
Уравнение: y=x1v x2 v…v xn
Таблица функционирования n=2 (табл.7). Блок-схема элемента (рис.5).
x2 x1 y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
1
xn
Рис.5
Табл.7
Функция И-НЕ.
Уравнение: y = x1 x2 … xn
Таблица функционирования n=2 (табл.8). Блок-схема элемента (рис.6).
x2 x1 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Рис.6 Табл.8
Трехстабильные элементы.
Используются в качестве буферных элементов для подключения входов и выходов схем к шинам. Такие элементы обязательно имеют управляющий вход (рис.7). При отсутствии сигнала управления выход элемента находится в высокоимпедансном состоянии, т.е. в состоянии высокого уровня, вызванного обрывом (отсутствием выходных токов). Сигнал управления «1» для биполярных структур и «0» для полевых.
Вышеперечисленные логические элементы являются основой построения цифровых устройств. Все цифровые устройства делятся на два основных класса:
-
комбинационные цифровые устройства (КЦУ), или схемы без обратных связей;
-
конечные автоматы (последовательностные цифровые устройства), или схемы с обратными связями.
Рис.7