Микросхемы и их функционирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микросхемы и их функционирование



Основные обозначения на схемах

микросхема кодирование цифровой серия

Для изображения электронных устройств и их узлов применяется три основных типа схем:

принципиальная схема;

структурная схема;

функциональная схема.

Различаются они своим назначением и, самое главное, степенью детализации изображения устройств.

Принципиальная схема -- наиболее подробная. Она обязательно показывает все использованные в устройстве элементы и все связи между ними. Если схема строится на основе микросхем, то должны быть показаны номера выводов всех входов и выходов этих микросхем. Принципиальная схема должна позволять полностью воспроизвести устройство. Обозначения принципиальной схемы наиболее жестко стандартизованы, отклонения от стандартов не рекомендуются.

Структурная схема -- наименее подробная. Она предназначена для отображения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части. Обозначения структурной схемы могут быть довольно произвольными, хотя некоторые общепринятые правила все-таки лучше выполнять.

Функциональная схема представляет собой гибрид структурной и принципиальной. Некоторые наиболее простые блоки, узлы, части устройства отображаются на ней, как на структурной схеме, а остальные -- как на принципиальной схеме. Функциональная схема дает возможность понять всю логику работы устройства, все его отличия от других подобных устройств, но не позволяет без дополнительной самостоятельной работы воспроизвести это устройство. Что касается обозначений, используемых на функциональных схемах, то в части, показанной как структура, они не стандартизованы, а в части, показанной как принципиальная схема, -- стандартизованы.

В технической документации обязательно приводятся структурная или функциональная схема, а также обязательно принципиальная схема. В научных статьях и книгах чаще всего ограничиваются структурной или функциональной схемой, приводя принципиальные схемы только некоторых узлов.

А теперь рассмотрим основные обозначения, используемые на схемах.

Все узлы, блоки, части, элементы, микросхемы показываются в виде прямоугольников с соответствующими надписями. Все связи между ними, все передаваемые сигналы изображаются в виде линий, соединяющих эти прямоугольники. Входы и входы/выходы должны быть расположены на левой стороне прямоугольника, выходы -- на правой стороне, хотя это правило часто нарушают, когда необходимо упростить рисунок схемы. Выводы и связи питания, как правило, не прорисовывают, если, конечно, не используются нестандартные включения элементов схемы. Это самые общие правила, касающиеся любых схем. Прежде чем перейти к более частным правилам, дадим несколько определений.

Положительный сигнал (сигнал положительной полярности) -- это сигнал, активный уровень которого -- логическая единица. То есть нуль -- это отсутствие сигнала, единица -- сигнал пришел (рис. 1).

Рис. 1.  Элементы цифрового сигнала



Отрицательный сигнал (сигнал отрицательной полярности) -- это сигнал, активный уровень которого -- логический нуль. То есть единица -- это отсутствие сигнала, нуль -- сигнал пришел (рис. 1).

Активный уровень сигнала -- это уровень, соответствующий приходу сигнала, то есть выполнению этим сигналом соответствующей ему функции.

Пассивный уровень сигнала -- это уровень, в котором сигнал не выполняет никакой функции.

Инвертирование или инверсия сигнала -- это изменение его полярности.

Инверсный выход -- это выход, выдающий сигнал инверсной полярности по сравнению с входным сигналом.

Прямой выход -- это выход, выдающий сигнал такой же полярности, какую имеет входной сигнал.

Положительный фронт сигнала -- это переход сигнала из нуля в единицу.

Отрицательный фронт сигнала (спад) -- это переход сигнала из единицы в нуль.

Передний фронт сигнала -- это переход сигнала из пассивного уровня в активный.

Задний фронт сигнала -- это переход сигнала из активного уровня в пассивный.

Тактовый сигнал (или строб) -- управляющий сигнал, который определяет момент выполнения элементом или узлом его функции.

Шина -- группа сигналов, объединенных по какому-то принципу, например, шиной называют сигналы, соответствующие всем разрядам какого-то двоичного кода.



Рис. 2.  Обозначение входов и выходов

Для обозначения полярности сигнала на схемах используется простое правило: если сигнал отрицательный, то перед его названием ставится знак минус, например, -WR или -OE, или же (реже) над названием сигнала ставится черта. Если таких знаков нет, то сигнал считается положительным. Для названий сигналов обычно используются латинские буквы, представляющие собой сокращения английских слов, например, WR -- сигнал записи (от "write" -- "писать").

Инверсия сигнала обозначается кружочком на месте входа или выхода. Существуют инверсные входы и инверсные выходы (рис. 2).

Если какая-то микросхема выполняет функцию по фронту входного сигнала, то на месте входа ставится косая черта (под углом 45°), причем наклон вправо или влево определяется тем, положительный или отрицательный фронт используется в данном случае (рис. 2). Тип выхода микросхемы помечается специальным значком: выход 3С -- перечеркнутым ромбом, а выход ОК -- подчеркнутым ромбом (рис. 2). Стандартный выход (2С) никак не помечается. Наконец, если у микросхемы необходимо показать неинформационные выводы, то есть выводы, не являющиеся ни логическими входами, ни логическими выходами, то такой вывод помечается косым крестом (две перпендикулярные линии под углом 45°). Это могут быть, например, выводы для подключения внешних элементов (резисторов, конденсаторов) или выводы питания (рис. 3).



Рис. 3.  Обозначение неинформационных выводов

В схемах также предусматриваются специальные обозначения для шин (рис. 2.4). На структурных и функциональных схемах шины обозначаются толстыми линиями или двойными стрелками, причем количество сигналов, входящих в шину, указывается рядом с косой чертой, пересекающей шину. На принципиальных схемах шина тоже обозначается толстой линией, а входящие в шину и выходящие из шины сигналы изображаются в виде перпендикулярных к шине тонких линий с указанием их номера или названия (рис. 4). При передаче по шине двоичного кода нумерация начинается с младшего разряда кода.

Рис. 4.  Обозначение шин

При изображении микросхем используются сокращенные названия входных и выходных сигналов, отражающие их функцию. Эти названия располагаются на рисунке рядом с соответствующим выводом. Также на изображении микросхем указывается выполняемая ими функция (обычно в центре вверху). Изображение микросхемы иногда делят на три вертикальные поля. Левое поле относится к входным сигналам, правое -- к выходным сигналам. В центральном поле помещается название микросхемы и символы ее особенностей. Неинформационные выводы могут указываться как на левом, так и на правом поле; иногда их показывают на верхней или нижней стороне прямоугольника, изображающего микросхему.

В табл. 1 приведены некоторые наиболее часто встречающиеся обозначения сигналов и функций микросхем. Микросхема в целом обозначается на схемах буквами DD (от английского "digital" -- "цифровой") с соответствующим номером, например, DD1, DD20.1, DD38.2 (после точки указывается номер элемента или узла внутри микросхемы).

Таблица 2.1. Некоторые обозначения сигналов и микросхем

Обозначение	Название	Назначение
&	And	Элемент И
=1	Exclusive Or	Элемент Исключающее ИЛИ
1	Or	Элемент ИЛИ
А	Address	Адресные разряды
BF	Buffer	Буфер
C	Clock	Тактовый сигнал (строб)
CE	Clock Enable	Разрешение тактового сигнала
CT	Counter	Счетчик
CS	Chip Select	Выбор микросхемы
D	Data	Разряды данных, данные
DC	Decoder	Дешифратор
EZ	Enable Z-state	Разрешение третьего состояния
G	Generator	Генератор
I	Input	Вход
I/O	Input/Output	Вход/Выход
OE	Output Enable	Разрешение выхода
MS	Multiplexer	Мультиплексор
Q	Quit	Выход
R	Reset	Сброс (установка в нуль)
RG	Register	Регистр
S	Set	Установка в единицу
SUM	Summator	Сумматор
T	Trigger	Тригер
TC	Terminal Count	Окончание счета
Z	Z-state	Третье состояние выхода

Более полная таблица обозначений сигналов и микросхем, используемых в принципиальных схемах, приведена в приложении.



Серии цифровых микросхем

В настоящее время выпускается огромное количество разнообразных цифровых микросхем: от простейших логических элементов до сложнейших процессоров, микроконтроллеров и специализированных БИС (Больших Интегральных Микросхем). Производством цифровых микросхем занимается множество фирм -- как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.

Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, например, американской фирмой Texas Instruments (TII). Эти серии включают в себя функционально полный комплект микросхем, используя который, можно создавать самые разные цифровые устройства. Даже при компьютерном проектировании современных сложных микросхем с программируемой логикой (ПЛИС) применяются модели простейших микросхем этих серий семейства 74. При этом разработчик рисует на экране компьютера схему в привычном для него элементном базисе, а затем программа создает прошивку ПЛИС, выполняющую требуемую функцию.

Рис. 5.  Система обозначений фирмы Texas Instruments

Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 5). Полное обозначение состоит из шести элементов:

Идентификатор фирмы SN (для серий AC и ACT отсутствует).

Температурный диапазон (тип семейства):

74 -- коммерческие микросхемы (температура окружающей среды для биполярных микросхем -- 0...70°С, для КМОП микросхем -- - 40...+85°С),

54 -- микросхемы военного назначения (температура -- -55...+125°С).

Код серии (до трех символов):

Отсутствует -- стандартная ТТЛ-серия.

LS (Low Power Schottky) -- маломощная серия ТТЛШ.

S (Schottky) -- серия ТТЛШ.

ALS (Advanced Schottky) -- улучшенная серия ТТЛШ.

F (FAST) -- быстрая серия.

HC (High Speed CMOS) -- высокоскоростная КМОП-серия.

HCT (High Speed CMOS with TTL inputs) -- серия HC, совместимая по входу с ТТЛ.

AC (Advanced CMOS) -- улучшенная серия КМОП.

ACT (Advanced CMOS with TTL inputs) -- серия AC, совместимая по входу с ТТЛ.

BCT (BiCMOS Technology) -- серия с БиКМОП-технологией.

ABT (Advanced BiCMOS Technology) -- улучшенная серия с БиКМОП-технологией.

LVT (Low Voltage Technology) -- серия с низким напряжением питания.

Идентификатор специального типа (2 символа) -- может отсутствовать. Тип микросхемы (от двух до шести цифр). Перечень некоторых типов микросхем приведен в приложении.

Код типа корпуса (от одного до двух символов) -- может отсутствовать. Например, N -- пластмассовый корпус DIL (DIP), J -- керамический DIL (DIC), T -- плоский металлический.

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Рис. 6.  Обозначения отечественных микросхем

Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 2.6). Основные элементы обозначения следующие:

Буква К обозначает микросхемы широкого применения, для микросхем военного назначения буква отсутствует.

Тип корпуса микросхемы (один символ) -- может отсутствовать. Например, Р -- пластмассовый корпус, М -- керамический, Б -- бескорпусная микросхема.

Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).

Функция микросхемы (две буквы).

Номер микросхемы (от одной до трех цифр). Таблица функций и номеров микросхем, а также таблица их соответствия зарубежным аналогам приведены в приложении.

Например, КР1533ЛА3, КР531ИЕ17, КР1554ИР47.

Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instruments виден тип серии с его особенностями.

Чем отличается одна серия от другой?



Таблица 2. Сравнение параметров одинаковых микросхем в разных стандартных сериях

	К155ЛА3 (SN7400N)	К555ЛА3 (SN74LS00N)	КР1533ЛА3 (SN74ALS00N)	КР1554ЛА3 (SN74AC00N)
tPLH, нс не более	22	15	11	8,5
tPHL, нс не более	15	15	8	7,0
IIL, мА не более	-1,6	-0,45	-0,1	-0,001
IIH, мА не более	0,04	0,02	0,02	0,001
IOL, мА не менее	16	8	15	86
IOH, мА не менее	-0,4	-0,4	-0,4	-75
UOL, В не более	0,4	0,5	0,5	0,3
UOH, В не менее	2,4	2,7	2,5	4,4
ICC, мА не более	12	4,4	3	0,04

На первом уровне представления (логическая модель) серии не различаются ничем. То есть одинаковые микросхемы разных серий работают по одним и тем же таблицам истинности, по одним и тем же алгоритмам. Правда, надо учитывать, что некоторые микросхемы имеются только в одной из серий, а некоторых нет в нескольких сериях.

На втором уровне представления (модель с учетом задержек) серии отличаются величиной задержки распространения сигнала. Это различие может быть довольно существенным. Поэтому в тех схемах, где величина задержки принципиальна, надо использовать микросхемы более быстрых серий (табл.3).

На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (табл. 3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, к примеру, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

Серия К155 (SN74) -- это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слишком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями. С этой классической серией принято сравнивать все остальные.

Серия К555 (SN74LS) отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток потребления -- почти втрое меньше, чем у К155). По быстродействию (по временам задержек) она близка к К155.

Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (ее задержки примерно в 3-4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155) и большой потребляемой мощностью (ток потребления -- больше в полтора раза по сравнению с К155).

Серия КР1533 (SN74ALS) отличается повышенным примерно вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой потребляемой мощностью (в четыре раза меньше, чем у К155). Входные токи еще меньше, чем у К555.

Серия КР1531 (SN74F) отличается высоким быстродействием (на уровне КР531), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у К155.

Серия КР1554 (SN74AC) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она имеет сверхмалые входные токи и сверхмалое потребление при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у К155.

Наибольшим разнообразием имеющихся микросхем отличаются серии К155 и КР1533, наименьшим -- КР1531 и КР1554.

Надо отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и верны не для всех разновидностей микросхем, имеющихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо смотреть в справочниках, причем желательно в фирменных справочных материалах.

Микросхемы разных серий обычно легко сопрягаются между собой, то есть сигналы с выходов микросхем одной серии можно смело подавать на входы микросхем другой серии. Одно из исключений -- соединение выходов ТТЛ-микросхем со входами КМОП-микросхем серии КР1554 (74AC). При таком соединении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между сигналом и напряжением питания (рис. 7).

Рис. 7.  Сопряжение TTL с CMOS

При выборе той или иной серии микросхем следует также учитывать, что микросхемы мощной и быстрой серии КР531 создают высокий уровень помех по шинам питания, а микросхемы маломощной серии К555 очень чувствительны к таким помехам. Поэтому серию КР531 рекомендуется использовать только в крайних случаях, при необходимости получения очень высокого быстродействия. Не рекомендуется также применять в одном устройстве мощные быстродействующие микросхемы и маломощные микросхемы.

Корпуса цифровых микросхем

Большинство микросхем имеют корпус, то есть прямоугольный контейнер (пластмассовый, керамический, металлокерамический) с металлическими выводами (ножками). Предложено множество различных типов корпусов, но наибольшее распространение получили два основных типа:



Рис. 8.  Примеры корпусов DIL и Flat

Корпус с двухрядным вертикальным расположением выводов, например, DIP (Dual In Line Package, Plastic) -- пластмассовый корпус, DIC (Dual In Line Package, Ceramic) -- керамический корпус. Общее название для таких корпусов -- DIL (рис. 8). Расстояние между выводами составляет 0,1 дюйма (2,54 мм). Расстояние между рядами выводов зависит от количества выводов.

Корпус с двухрядным плоскостным расположением выводов, например, FP (Flat-Package, Plastic) -- пластмассовый плоский корпус, FPC (Flat-Package, Ceramic) -- керамический плоский корпус. Общее название для таких корпусов -- Flat (рис. 2.8). Расстояние между выводами составляет 0,05 дюйма (1,27 мм) или 0,025 дюйма (0,628 мм).

Номера выводов всех корпусов отсчитываются начиная с вывода, помеченного ключом, по направлению против часовой стрелки (если смотреть на микросхему сверху). Ключом может служить вырез на одной из сторон микросхемы, точка около первого вывода или утолщение первого вывода (рис. 8). Первый вывод может находиться в левом верхнем или в правом нижнем углу (в зависимости от того, как повернут корпус). Микросхемы обычно имеют стандартное число выводов из ряда: 4, 8, 14, 16, 20, 24, 28,.… Для микросхем стандартных цифровых серий используются корпуса с количеством выводов начиная с 14.

Назначение каждого из выводов микросхемы приводится в справочниках по микросхемам, которых сейчас имеется множество. Правда, лучше ориентироваться на справочники, издаваемые непосредственно фирмами-изготовителями. В данной книге назначение выводов не приводится.

Отечественные микросхемы выпускаются в корпусах, очень похожих на DIL и Flat, но расстояния между их выводами вычисляются по метрической шкале и поэтому чуть-чуть отличаются от принятых за рубежом. Например, 2,5 мм вместо 2,54 мм, 1,25 мм вместо 1,27 мм и т.д. Для корпусов с малым числом выводов (до 20) это не слишком существенно, но для больших корпусов расхождение в расстоянии может стать существенным. В результате на плату, рассчитанную на зарубежные микросхемы, нельзя поставить отечественные микросхемы, и наоборот.

Двоичное кодирование

Одиночный цифровой сигнал не слишком информативен, ведь он может принимать только два значения: нуль и единица. Поэтому в тех случаях, когда необходимо передавать, обрабатывать или хранить большие объемы информации, обычно применяют несколько параллельных цифровых сигналов. При этом все эти сигналы должны рассматриваться только одновременно, каждый из них по отдельности не имеет смысла. В таких случаях говорят о двоичных кодах, то есть о кодах, образованных цифровыми (логическими, двоичными) сигналами. Каждый из логических сигналов, входящих в код, называется разрядом. Чем больше разрядов входит в код, тем больше значений может принимать данный код.

В отличие от привычного для нас десятичного кодирования чисел, то есть кода с основанием десять, при двоичном кодировании в основании кода лежит число два (рис. 9). То есть каждая цифра кода (каждый разряд) двоичного кода может принимать не десять значений (как в десятичном коде: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), а всего лишь два -- 0 и 1. Система позиционной записи остается такой же, то есть справа пишется самый младший разряд, а слева -- самый старший. Но если в десятичной системе вес каждого следующего разряда больше веса предыдущего в десять раз, то в двоичной системе (при двоичном кодировании) -- в два раза. Каждый разряд двоичного кода называется бит (от английского "Binary Digit" -- "двоичное число").

Рис. 9.  Десятичное и двоичное кодирование

В табл. 3 показано соответствие первых двадцати чисел в десятичной и двоичной системах.

Из таблицы видно, что требуемое количество разрядов двоичного кода значительно больше, чем требуемое количество разрядов десятичного кода. Максимально возможное число при количестве разрядов, равном трем, составляет при десятичной системе 999, а при двоичной -- всего лишь 7 (то есть 111 в двоичном коде).

В общем случае n-разрядное двоичное число может принимать 2ⁿ различных значений, а n-разрядное десятичное число -- 10ⁿ значений. То есть запись больших двоичных чисел (с количеством разрядов больше десяти) становится не слишком удобной.

Таблица 3. Соответствие чисел в десятичной и двоичной системах

Десятичная система	Двоичная система	Десятичная система	Двоичная система
0	0	10	1010
1	1	11	1011
2	10	12	1100
3	11	13	1101
4	100	14	1110
5	101	15	1111
6	110	16	10000
7	111	17	10001
8	1000	18	10010
9	1001	19	10011

Для того чтобы упростить запись двоичных чисел, была предложена так называемая шестнадцатиричная система (16-ричное кодирование). В этом случае все двоичные разряды разбиваются на группы по четыре разряда (начиная с младшего), а затем уже каждая группа кодируется одним символом. Каждая такая группа называется полубайтом (или нибблом, тетрадой), а две группы (8 разрядов) -- байтом. Из табл. 2.3 видно, что 4-разрядное двоичное число может принимать 16 разных значений (от 0 до 15). Поэтому требуемое число символов для шестнадцатиричного кода тоже равно 16, откуда и происходит название кода. В качестве первых 10 символов берутся цифры от 0 до 9, а затем используются 6 начальных заглавных букв латинского алфавита: A, B, C, D, E, F.

Рис. 10.  Двоичная и 16-ричная запись числа

В табл. 4 приведены примеры 16-ричного кодирования первых 20 чисел (в скобках приведены двоичные числа), а на рис. 2.10 показан пример записи двоичного числа в 16-ричном виде.

Для обозначения 16-ричного кодирования иногда применяют букву "h" или "H" (от английского Hexadecimal) в конце числа, например, запись A17F h обозначает 16-ричное число A17F. Здесь А1 представляет собой старший байт числа, а 7F -- младший байт числа. Все число (в нашем случае -- двухбайтовое) называется словом.



Таблица 2.4. 16-ричная система кодирования

Десятичная система	16-ричная система	Десятичная система	16-ричная система
0	0 (0000)	10	A (1010)
1	1(0001)	11	B (1011)
2	2 (0010)	12	C (1100)
3	3 (0011)	13	D (1101)
4	4 (0100)	14	E (1110)
5	5 (0101)	15	F (1111)
6	6 (0110)	16	10 (00010000)
7	7 (0111)	17	11 (00010001)
8	8 (1000)	18	12 (00010010)
9	9 (1001)	19	13 (00010011)

Для перевода 16-ричного числа в десятичное необходимо умножить значение младшего (нулевого) разряда на единицу, значение следующего (первого) разряда на 16, второго разряда на 256 (16²) и т.д., а затем сложить все произведения. Например, возьмем число A17F:

A17F=F*16⁰ + 7*16¹ + 1*16² + A*16³ =

=15*1 + 7*16+1*256+10*4096=41343

Таблица 5. 8-ричная система кодирования

Десятичная система	8-ричная система	Десятичная система	8-ричная система
0	0 (000)	10	12 (001010)
1	1(001)	11	13 (001011)
2	2 (010)	12	14 (001100)
3	3 (011)	13	15 (001101)
4	4 (100)	14	16 (001110)
5	5 (101)	15	17 (001111)
6	6 (110)	16	20 (010000)
7	7 (111)	17	21 (010001)
8	10 (001000)	18	22 (010010)
9	11 (001001)	19	23 (010011)

Но каждому специалисту по цифровой аппаратуре (разработчику, оператору, ремонтнику, программисту и т.д.) необходимо научиться так же свободно обращаться с 16-ричной и двоичной системами, как и с обычной десятичной, чтобы никаких переводов из системы в систему не требовалось.

Значительно реже, чем 16-ричное, используется восьмеричное кодирование, которое строится по такому же принципу, что и 16-ричное, но двоичные разряды разбиваются на группы по три разряда. Каждая группа (разряд кода) затем обозначается одним символом. Каждый разряд 8-ричного кода может принимать восемь значений: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (табл. 5).

Помимо рассмотренных кодов, существует также и так называемое двоично-десятичное представление чисел. Как и в 16-ричном коде, в двоично-десятичном коде каждому разряду кода соответствует четыре двоичных разряда, однако каждая группа из четырех двоичных разрядов может принимать не шестнадцать, а только десять значений, кодируемых символами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. То есть одному десятичному разряду соответствует четыре двоичных. В результате получается, что написание чисел в двоично-десятичном коде ничем не отличается от написания в обычном десятичном коде (табл. 6), но в реальности это всего лишь специальный двоичный код, каждый разряд которого может принимать только два значения: 0 и 1. Двоично-десятичный код иногда очень удобен для организации десятичных цифровых индикаторов и табло.

Таблица 6. Двоично-десятичная система кодирования

Десятичная система	Двоично-десятичная система	Десятичная система	Двоично-десятичная система
0	0 (0000)	10	10 (00010000)
1	1(0001)	11	11 (00010001)
2	2 (0010)	12	12 (00010010)
3	3 (0011)	13	13 (00010011)
4	4 (0100)	14	14 (00010100)
5	5 (0101)	15	15 (00010110)
6	6 (0110)	16	16 (00010110)
7	7 (0111)	17	17 (00010111)
8	8 (1000)	18	18 (0011000)
9	9 (1001)	19	19 (00011001)



В двоичном коде над числами можно проделывать любые арифметические операции: сложение, вычитание, умножение, деление.

Рассмотрим, например, сложение двух 4-разрядных двоичных чисел. Пусть надо сложить число 0111 (десятичное 7) и 1011 (десятичное 11). Сложение этих чисел не сложнее, чем в десятичном представлении:

При сложении 0 и 0 получаем 0, при сложении 1 и 0 получаем 1, при сложении 1 и 1 получаем 0 и перенос в следующий разряд 1. Результат -- 10010 (десятичное 18). При сложении любых двух n-разрядных двоичных чисел может получиться n-разрядное или (n+1)-разрядное число.

Точно так же производится вычитание. Пусть из числа 10010 (18) надо вычесть число 0111 (7). Записываем числа с выравниванием по младшему разряду и вычитаем точно так же, как в случае десятичной системы:

При вычитании 0 из 0 получаем 0, при вычитании 0 из 1 получаем 1, при вычитании 1 из 1 получаем 0, при вычитании 1 из 0 получаем 1 и заем 1 в следующем разряде. Результат -- 1011 (десятичное 11).

При вычитании возможно получение отрицательных чисел, поэтому необходимо использовать двоичное представление отрицательных чисел.

Для одновременного представления как двоичных положительных, так и двоичных отрицательных чисел чаще всего используется так называемый дополнительный код. Отрицательные числа в этом коде выражаются таким числом, которое, будучи сложено с положительным числом такой же величины, даст в результате нуль. Для того чтобы получить отрицательное число, надо поменять все биты такого же положительного числа на противоположные (0 на 1, 1 на 0) и прибавить к результату 1. Например, запишем число -5. Число 5 в двоичном коде выглядит 0101. Заменяем биты на противоположные: 1010 и прибавляем единицу: 1011. Суммируем результат с исходным числом: 1011 + 0101 = 0000 (перенос в пятый разряд игнорируем).

Помимо стандартных арифметических операций, в двоичной системе счисления используются и некоторые специфические операции, например, сложение по модулю 2. Эта операция (обозначается A) является побитовой, то есть никаких переносов из разряда в разряд и заемов в старших разрядах здесь не существует. Правила сложения по модулю 2 следующие: , , . Эта же операция называется функцией Исключающее ИЛИ. Например, просуммируем по модулю 2 два двоичных числа 0111 и 1011:

Среди других побитовых операций над двоичными числами можно отметить функцию И и функцию ИЛИ. Функция И дает в результате единицу только тогда, когда в соответствующих битах двух исходных чисел обе единицы, в противном случае результат --0. Функция ИЛИ дает в результате единицу тогда, когда хотя бы один из соответствующих битов исходных чисел равен 1, в противном случае результат 0.

Функции цифровых устройств

Любое цифровое устройство от самого простейшего до самого сложного всегда действует по одному и тому же принципу (рис. 2.11). Оно принимает входные сигналы, выполняет их обработку, передачу, хранение и выдает выходные сигналы. При этом совсем не обязательно любое изменение входных сигналов приводит к немедленному и однозначному изменению выходных сигналов. Реакция устройства может быть очень сложной, отложенной по времени, неочевидной, но суть от этого не меняется.

В качестве входных сигналов нашего устройства могут выступать сигналы с выходов других цифровых устройств, с тумблеров и клавиш или с датчиков физических величин. Причем в последнем случае, как правило, необходимо преобразование аналоговых сигналов с датчиков в потоки цифровых кодов (рис. 2.12) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Например, в случае персонального компьютера входными сигналами являются сигналы с клавиатуры, с датчиков перемещения мыши, с микрофона (давление воздуха, то есть звук, преобразуется в аналоговый электрический сигнал, а затем -- в цифровые коды), из кабеля локальной сети и т.д.

Рис. 11.  Включение цифрового устройства

Рис. 12.  Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование

Выходные сигналы цифрового устройства могут предназначаться для подачи на другие цифровые устройства, для индикации (на экране монитора, на цифровом индикаторе и т.д.), а также для формирования физических величин. Причем в последнем случае необходимо преобразовывать потоки кодов с цифрового устройства в непрерывные (аналоговые) сигналы (рис. 12) с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и в физические величины. Например, в случае персонального компьютера выходными сигналами будут: сигналы, подаваемые компьютером на принтер; сигналы, идущие на видеомонитор (аналоговые или цифровые); звук, воспроизводимый динамиками компьютера (потоки кодов с компьютера преобразуются в аналоговый электрический сигнал, который затем преобразуется в давление воздуха -- звук).

Одно цифровое устройство может состоять из нескольких более простых цифровых устройств. Часто эти составные элементы называют блоками, модулями, узлами, частями. Если объединяются несколько сложных цифровых устройств, то говорят уже о цифровых системах, комплексах, установках. Мы в основном будем использовать термин "устройство", как занимающий промежуточное положение.

Связь между входными и выходными сигналами может быть жесткой, неизменной или гибко изменяемой (программируемой). То есть цифровое устройство может работать по жесткому, раз и навсегда установленному алгоритму или по алгоритму программируемому. Как правило, при этом выполняется один очень простой принцип: чем больше возможностей для изменения связи входных и выходных сигналов, чем больше возможностей изменения алгоритма работы, тем цифровое устройство будет медленнее. Речь в данном случае, конечно же, идет о предельно достижимом быстродействии.

Иначе говоря, простые устройства с жесткой логикой работы всегда могут быть сконструированы с более высоким быстродействием по сравнению с программируемыми, гибкими устройствами со сложным алгоритмом работы. Жесткая логика также обеспечивает малый объем аппаратуры (малые аппаратурные затраты) для реализации простых функций. Зато программируемые, интеллектуальные устройства обеспечивают более высокую гибкость и меньшую стоимость при необходимости сложной обработки. А для реализации простых функций они часто оказываются избыточно сложными. Так что выбор между двумя этими типами цифровых устройств зависит от конкретной решаемой задачи.

Значительное число задач может быть решено как чисто аппаратным путем (с помощью устройств на жесткой логике), так и программно-аппаратным путем (с помощью программируемых устройств). В таких случаях надо смотреть, какие характеристики устройства являются самыми важными: скорость работы, стоимость, гибкость, простота проектирования и т.д. -- и в зависимости от этого выбирать то или иное решение, так или иначе перераспределять функции между программным обеспечением и аппаратурой.

В данной книге основное внимание будет уделено устройствам и узлам с жесткой логикой работы. Однако уяснение принципов их работы и их проектирования может оказать большую помощь и при создании программируемых, интеллектуальных устройств.

Размещено на Allbest.ru

...