Лекция 2. Основы цифровой схемотехники

Основы
цифровой
схемотехники
Вентили
Цифровые схемы конструируются из небольшого числа простых
элементов путем сочетания этих элементов в различных комбинациях.
▪ Цифровая схема — это схема, в которой есть только два логических
значения.
▪ Обычно сигнал от 0 до 1 В представляет одно значение (например, 0), а
сигнал от 2 до 5 В — другое значение (например, 1). Напряжение за
пределами указанных величин недопустимо.
▪ Электронные устройства, которые называются вентилями, позволяют
получать различные функции от этих двузначных сигналов. Вентили
лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строятся все
цифровые компьютеры.
Уровень физических устройств
▪ Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор
может работать как очень быстрый двоичный переключатель.
▪ Транзистор имеет три соединения с внешним миром: коллектор, базу и
эмиттер.
Если входное напряжение Vin ниже определенного
критического значения, транзистор выключается и
действует как очень большое сопротивление. Это
приводит к выходному сигналу Vout, близкому к VCC
(напряжению, подаваемому извне), — для данного
типа транзистора это обычно +5 В.
Если Vin превышает критическое значение,
транзистор включается и действует как проводник,
вызывая заземление сигнала Vout (по соглашению —
это 0 В).
Алгебра логики
• Для описания схем, получаемые сочетанием различных вентилей, нужна
алгебра, в которой все переменные и функции могут принимать только
два значения: 0 и 1. Такая алгебра называется булевой (английский
математик Джордж Буль 1815–1864).
• Булева функция на входе получает одну или несколько переменных и
выдает результат, который зависит только от значений этих переменных.
Можно определить простую функцию f, сказав, что f(А) = 1, если А = 0 и
f(А) = 0, если А = 1. Такая функция будет функцией НЕ.
• Булева функция от n переменных имеет только 2n возможных
комбинаций значений переменных, поэтому такую функцию можно
полностью описать в таблице с 2n строками. Такая таблица называется
таблицей истинности.
• Набор трех логических функций: НЕ, И, ИЛИ называют булевским или
булевым базисом.
Функция НЕ
Y a
Вход
Выход
0
1
1
0
Функции И и ИЛИ
Вход 1 Вход 2 Выход И Выход И-НЕ
Выход ИЛИ Выход ИЛИ-НЕ
Y  a b
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
Y  ab
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
Реализация смешивания двух сигналов
Функциональные элементы цифровой
техники
• Комбинационные микросхемы выполняют более сложные
функции, чем простые логические элементы.
• Комбинационные микросхемы, как и логические элементы, не
имеют внутренней памяти, уровни их выходных сигналов
определяются текущими уровнями входных сигналов.
• Комбинационные
микросхемы
внутри
простейших логических элементов.
построены
из
Дешифратор
Входы
Выходы
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
Шифратор
Входы
Выходы
3
2
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
х
0
1
0
1
x
х
1
0
1
х
x
х
1
1
Мультиплексоры
Входы
Выходы
4
2
1
-EZ
Q
-Q
X
X
X
1
Z
Z
0
0
0
0
D0
-D0
0
0
1
0
D1
-D1
0
1
0
0
D2
-D2
0
1
1
0
D3
-D3
1
0
0
0
D4
-D4
1
0
1
0
D5
-D5
1
1
0
0
D6
-D6
1
1
1
0
D7
-D7
Входы
Выходы
C=0
Сумматоры
C=1
S0 P S1
S
A1
A0
B1
B0
P
S1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
0
Элементы памяти
Триггеры и регистры являются простейшими представителями цифровых
микросхем, имеющих внутреннюю память.
Выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят также еще и
от того, какие входные сигналы и в какой последовательности поступали
на них в прошлом, то есть они помнят предысторию поведения схемы.
Триггер
S
R
Q(t+1)
Функция
0
0
х
Запрещенная
комбинация
0
1
1
Установка в "1"
1
0
0
Установка в "0"
1
1
Q(t)
Хранение
Классификация триггерных схем
Типы триггеров
Основные типы триггеров:
• RS-триггер — самый простой триггер, но редко используемый;
• JK-триггер имеет самое сложное управление, также используется
довольно редко;
• D-триггер — наиболее распространенный тип триггера.
Входы
JK-триггеры
Выходы
-S
-R
C
J
K
Q
-Q
0
1
Х
Х
Х
1
0
1
0
Х
Х
Х
0
1
0
0
Х
Х
Х
1
1
1→ 0
1
0
1
0
1
1
1→ 0
0
1
0
1
1
1
1→ 0
0
0
Не изменяется
1
1
1→ 0
1
1
Меняется на
Не определено
противоположное
1
1
1
Х
Х
Не изменяется
1
1
0
Х
Х
Не изменяется
1
1
0→ 1
Х
Х
Не изменяется
Счетчики
D-триггеры
Входы
Выходы
-S
-R
C
D
Q
-Q
0
1
Х
Х
1
0
1
0
Х
Х
0
1
0
0
Х
Х
1
1
0→1
1
1
0
1
1
0→1
0
0
1
1
1
0
Х
Не меняется
1
1
1
Х
Не меняется
1
1
1→0
Х
Не меняется
Не определено
Регистр хранения
Регистр сдвига
Типы памяти
Память, позволяющая читывать и записывать информацию называется ОЗУ (оперативное
запоминающее устройство), или RAM (Random Access Memory — оперативная память).
Существует два типа ОЗУ: статическое и динамическое.
▪ Статическое ОЗУ (Static RAM, SRAM) конструируется с использованием D-триггеров.
Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается
питание: секунды, минуты, часы и даже дни. Статическое ОЗУ работает очень быстро.
Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое
ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня.
▪ Динамическое ОЗУ (Dynamic RAM, DRAM) представляет собой массив ячеек, каждая из
которых содержит транзистор и конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и
разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд
имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться
(перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных.
Обновление обеспечивает внешняя логика, поэтому динамическое ОЗУ требует более
сложного сопряжения, чем статическое, хотя этот недостаток компенсируется большим
объемом.
Современные типы ОЗУ
Синхронное динамические ОЗУ (Synchronous DRAM, SDRAM)
управляется от главного системного тактового генератора. Данное
устройство представляет собой гибрид статического и динамического ОЗУ.
Основное преимущество синхронного динамического ОЗУ состоит в том,
что оно исключает зависимость микросхемы памяти от управляющих
сигналов. ЦП сообщает памяти, сколько циклов следует выполнить, а
затем запускает ее. Каждый цикл на выходе дает 4, 8 или 16 бит в
зависимости от количества выходных строк. Устранение зависимости от
управляющих сигналов приводит к ускорению передачи данных между ЦП
и памятью.
Следующим этапом в развитии памяти SDRAM стала память DDR (Double
Data Rate — передача данных с двойной скоростью). Эта технология
предусматривает вывод данных как на фронте, так и на спаде импульса,
вследствие чего скорость передачи увеличивается вдвое.
Энергонезависимая память
▪ Для сохранения данных при отключенном питании и для хранения неизменяемых данных используются ПЗУ
(постоянных запоминающих устройств), или ROM (Read-Only Memory — постоянная память). ПЗУ не
позволяют изменять и стирать хранящуюся в них информацию (ни умышленно, ни случайно). Данные
записываются в ПЗУ в процессе производства.
▪ Для более гибкого использования ПЗУ при разработке новых устройств были выпущены программируемые
ПЗУ (Programmable ROM, PROM). В отличие от обычных ПЗУ, их можно программировать в условиях
эксплуатации.
▪ Следующая ступень развития — стираемое программируемое ПЗУ (Erasable PROM, EPROM), которое
можно не только программировать в условиях эксплуатации, но и стирать с него информацию. Если кварцевое
окно в данном ПЗУ подвергать воздействию сильного ультрафиолетового света в течение 15 минут, все биты
установятся в 1.
▪ Следующий этап — электронно перепрограммируемое ПЗУ (Electronically EPROM, EEPROM), которое не
нужно для этого помещать в специальную камеру, чтобы подвергнуть воздействию ультрафиолетовых лучей
— для стирания информации достаточно подать соответствующие импульсы.
▪ Наиболее современный тип электронно перепрограммируемого ПЗУ — флэш-память. В отличие от
стираемого ПЗУ, которое стирается под воздействием ультрафиолетовых лучей, и от электронно
перепрограммируемого ПЗУ, которое стирается по байтам, флэш-память стирается и записывается блоками.
Цифровые логические микросхемы
Уровни представления цифровых устройств:
1) логическая моделью;
2) модель с временными задержками;
3) электрическая модель.
Цифровые микросхемы
Типы выводов цифровых схем:
1) выводы питания и общий вывод;
2) выводы входных сигналов;
3) выводы для выходных сигналов.
Основные параметры логических элементов
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Коэффициент объединения по входу Коб
Коэффициент разветвления по выходу Краз
Быстродействие
Напряжение высокого U1 и низкого U0 уровней
Пороговые напряжения высокого U1пор и низкого U0пор уровней
Входные токи I0вх, I1вх
Помехоустойчивость
Потребляемая мощность Pпот или ток потребления Iпот
Энергия переключения
Технологии электронных схем
В настоящее время используется следующие технологии построения
логических элементов:
• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL);
• логика на основе комплементарных МОП-транзисторов
• (КМОП, CMOS);
• логика на основе сочетания комплементарных МОП- и биполярных
транзисторов (BiCMOS).