Введение. Основные элементы цифровой техники.

Министерство образования и науки республики Казахстан Рудненский индустриальный институт Кафедра «электроэнергетики и теплоэнергетики» лекционный КОМПЛЕКС по дисциплине «Цифровая техника и микропроцессорное управление» для студентов специальности 050718 «Электроэнергетика» Составил В.Ю. Киселёв, преподаватель Утвержден на заседании кафедры ЭЭ и ТЭ Протокол №___от_________2019 г. Заведующий кафедрой З.К. Хабдуллина Рудный 2019 Модуль 1 Арифметические и логические основы цифровой техники Тема лекции 1 Введение. Основные элементы цифровой техники. План лекции 1. Основные понятия. 2. Особенности работы, схемы, связь с другими элементами. 3. Уровни представления цифровых устройств. 1. Основные понятия. Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, производящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем это относится как к бытовой технике (аудио-, видеоаппаратура, средства связи), так и к профессиональной технике (измерительная, управляющая аппаратура). Ставшие уже привычными персональные компьютеры также полностью реализованы на цифровой электронике. Видимо, в ближайшем будущем аналоговым устройствам будет отведена вспомогательная роль: они будут применяться в основном для связи цифровых систем с аналоговыми датчиками и аналоговыми исполнительными элементами. Для обслуживания цифровой техники, тем более, для ее ремонта и разработки, требуются специалисты, досконально знающие принципы работы цифровых устройств и систем, базовые элементы цифровой электроники, типовые схемы их включения, правила взаимодействия цифровых узлов, способы построения наиболее типичных цифровых устройств. При этом в процессе подготовки таких специалистов необходимо учитывать следующие специфические особенности. Во-первых, цифровая техника не слишком сильно связана с аналоговой техникой и с физическими эффектами, используемыми в электронике. Отсюда следует, что специалист по цифровой схемотехнике совсем не обязательно должен быть классным специалистом по аналоговой технике и по физическим основам электроники. Строго говоря, такому специалисту не очень важно, на каких электронных компонентах и на каких физических принципах построена проектируемая система и ее элементы. Гораздо важнее логика ее работы и протоколы взаимодействия цифровых элементов, узлов и устройств, входящих в систему. Для начала дадим несколько базовых определений. Сигнал — это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию. Электрический сигнал — это электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя сейчас все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света. Аналоговый сигнал — это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами. Название «аналоговый» подразумевает, что сигнал изменяется аналогично физической величине, то есть непрерывно. Цифровой сигнал — это сигнал, который может приниматьтолькодва (иногда — три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единиц). Рисунок 1.1 – Электрические сигналы 2. Особенности работы, схемы, связь с другими элементами. Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами. Можно сказать, что в природе практически все сигналы — аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в каких-то пределах. Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, производили над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические величины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха — в более сильный звук. Однако аналоговые сигналы и работающая с ними аналоговая электроника имеют большие недостатки, связанные именно с природой аналоговых сигналов. Дело в том, что аналоговые сигналы чувствительны к действию всевозможных паразитных сигналов — шумов, наводок, помех. Шум — это внутренние хаотические слабые сигналы любого электронного устройства (микрофона, транзистора, резистора и т. д.). Наводки и помехи — это сигналы, приходящие на электронную систему извне и искажающие полезный сигнал (например, электромагнитные излучения от радиопередатчиков или от трансформаторов). Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы: • обработка (или преобразование); • передача; • хранение. Во всех этих трех случаях полезные сигналы искажаются паразитными — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильтрации) еще и искажается их форма — из-за несовершенства, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослабляются. В случае аналоговых сигналов все это существенно ухудшает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного уничтожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точно описать поведение любых аналоговых устройств абсолютно невозможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому характеристики этих устройств не остаются постоянными. Рисунок 1.2 – Искажение шумами и наводками аналогового (слева) и цифрового (справа) сигналов В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники. Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть выше, чем скорость обработки и передачи цифровым устройством. Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый — еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых (чаще всего от 4 до 16). К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы — аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые и обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей). Так что ничто не дается даром, и плата за преимущества цифровых устройств может порой оказаться неприемлемо большой. 3. Уровни представления цифровых устройств. Все цифровые устройства строятся из логических микросхем, каждая из которых (рис. 1.3) обязательно имеет следующие выводы (или, как их еще называют в просторечии, «ножки»): • выводы питания: общий (или «земля») и напряжения питания (в большинстве случаев — +5 В или +3,3 В), которые на схемах обычно не показываются; • выводы для входных сигналов (или «входы»), на которые поступают внешние цифровые сигналы; • выводы для выходных сигналов (или «выходы»), на которые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы. Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов. Способ преобразования чаще всего описывается или в виде таблицы (так называемой таблицы истинности), или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов. Рисунок 1.3 – Цифровая микросхема Все цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой — уровнем логического нуля (или нулевым уровнем). Чаще всего логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице — высокий уровень. В этом случае говорят, что принята «положительная логика». Однако при передаче сигналов на большие расстояния и в системных шинах микропроцессорных систем порой используют и обратное представление, когда логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения, а логической единице — низкий уровень. В этом случае говорят об «отрицательной логике». Иногда логический нуль кодируется положительным уровнем напряжения (тока), а логическая единица — отрицательным уровнем напряжения (тока), или наоборот. Есть и более сложные методы кодирования логических нулей и единиц. Но мы в основном будем говорить о положительной логике. Для описания работы цифровых устройств используют самые различные модели, отличающиеся друг от друга сложностью, точностью, большим или меньшим учетом тонких физических эффектов. В основном эти модели используются при компьютерных расчетах цифровых схем. В настоящее время существуют компьютерные программы, которые не только рассчитывают готовые схемы, но способны и проектировать новые схемы по формализованным описаниям функций, которые данное устройство должно выполнять. Это довольно удобно, но ни одна программа никогда не может сравниться с человеком. По-настоящему эффективные, минимизированные по аппаратуре, наконец, красивые схемы может разрабатывать только человек, который всегда подходит к проектированию творчески и использует оригинальные идеи. Разработчик цифровой аппаратуры тоже использует своеобразные модели или, как еще можно сказать, различные уровни представления цифровых схем. Но, в отличие от компьютера, человек может гибко выбирать нужную модель — ему надо только взглянуть на схему, чтобы понять, где достаточно простейшей модели, а где требуется более сложная. То есть человек никогда не будет делать лишней, избыточной работы и, следовательно, не будет вносить дополнительных ошибок, свойственных любой, даже самой сложной, модели. Правда, простота цифровых устройств по сравнению с аналоговыми обычно не провоцирует на чересчур серьезные ошибки. В подавляющем большинстве случаев для разработчика цифровых схем достаточно трех моделей, трех уровней представления о работе цифровых устройств: 1. Логическая модель. 2. Модель с временными задержками. 3. Модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель). Опыт показывает, что первой, простейшей модели достаточно примерно в 20 % всех случаев. Она применима для всех цифровых схем, работающих с низкой скоростью, в которых быстродействие не принципиально. Привлечение второй модели, учитывающей задержки срабатывания логических элементов, позволяет охватить около 80 % всех возможных схем. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и для случая одновременного изменения нескольких входных сигналов. Наконец, добавление третьей модели, учитывающей входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов, дает возможность проектирования практически 100 % цифровых схем. В первую очередь, эту третью модель надо применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и при нетрадиционном включении логических элементов (с переводом их в аналоговый или в линейный режимы). Для иллюстрации работы перечисленных моделей рассмотрим работу самого простейшего логического элемента — инвертора. Инвертор изменяет (инвертирует) логический уровень входного сигнала на противоположный уровень выходного сигнала или, как еще говорят, изменяет полярность логического сигнала. Его таблица истинности (табл. 1.1) элементарно проста, так как возможно только две ситуации: нуль на входе или единица на входе. На рис. 1.4 показано, как будет выглядеть выходной сигнал инвертора при использовании трех его моделей (трех уровней его представления). Такие графики логических сигналов называются временными диаграммами, они позволяют лучше понять работу цифровых схем. Из рисунка видно, что в первой, логической модели считается, что элемент срабатывает мгновенно, любое изменение уровня входного сигнала сразу же, без всякой задержки приводит к изменению уровня выходного сигнала. Во второй модели выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного. Наконец, в третьей модели выходной сигнал не только задерживается по сравнению с входным, но и его изменение происходит не мгновенно — процесс смены уровней сигнала (или, как говорят, фронт сигнала) имеет конечную длительность. Кроме того, третья модель учитывает изменение уровней логических сигналов. Таблица 1.1. – Таблица истинности инвертора Рисунок 1.4 – Три уровня представления цифровых устройств На практике разработчик, как правило, в начале проектирования пользуется исключительно первой моделью, а затем для некоторых узлов применяет вторую или (реже) еще и третью модель. При этом первая модель не требует вообще никаких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микросхем. Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирование) временных задержек элементов на пути прохождения сигналов (рис. 1.5). В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему. Рисунок 1.5 – Суммирование задержек элементов Рисунок 1.6 – Суммирование входных токов элементов Расчеты по третьей модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они все-таки сводятся всего лишь к суммированию входных и выходных токов логических элементов (рис. 1.6). В результате этих расчетов может выясниться, что требуется применение микросхем с более мощными выходами или включение дополнительных элементов То есть проектирование цифровых устройств принципиально отличается от проектирования аналоговых устройств, при котором сложные расчеты абсолютно неизбежны. Разработчик цифровых устройств имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. А что происходит внутри этих микросхем, для него практически не имеет значения. Справочные данные на цифровые микросхемы обычно содержат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представления, к одной из трех моделей. Например, таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первому, логическому уровню. Поэтому знать их наизусть каждому разработчику необходимо в любом случае. Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второму уровню представления. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 не = 10~ 9 с) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справочниках всегда указывается максимальное значение. Необходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль, как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу. К третьему уровню представления относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы (обычно от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к которой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки CL (порядка 100 пФ). Отметим, что 1 пФ = 10-12 Ф. На этом же уровне представления задаются максимально допустимые величины длительности положительного фронта и отрицательного фронта входного сигнала. То есть при большей длительности перехода входного сигнала из единицы в нуль и из нуля в единицу микросхема может работать неустойчиво, неправильно, нестандартно. К третьему уровню представления можно отнести также такие параметры, как допустимое напряжение питания микросхемы (UQQ) И максимальный ток, потребляемый микросхемой (IQQ). Например, может быть задано 4 , 5 В < U c c < 5 , 5 В; 1 С С < 100 мА. При этом потребляемый ток IQQ зависит от уровней выходных токов микросхемы IQH И IQL. ЭТИ параметры надо учитывать при выборе источника питания для проектируемого устройства, а также в процессе изготовления печатных плат — при выборе ширины токоведущих дорожек. Наконец, к третьему же уровню относится ряд параметров, которые часто упоминаются в литературе, но не всегда приводятся в справочных таблицах: • Порог срабатывания — уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже — как нуль. Для наиболее распространенных ТТЛ микросхем он примерно равен 1,3...1,4В. • Помехозащищенность — характеризует величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов. Помехозащищенность определяется разницей между напряжением UjH и порогом срабатывания (это помехозащищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и (]ц (это помехозащищенность нулевого уровня). • Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Определяется отношением выходного тока к входному. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одного типа (одной серии) равна 10. • Нагрузочная способность — параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления. Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьему уровню представления (к модели с учетом электрических эффектов), поэтому в большинстве случаев (до 80 %) знать их точные значения наизусть не обязательно. Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое электрический сигнал? 2. Что такое аналоговый сигнал? 3. Что такое цифровой сигнал? 4. Что такое шум? 5. Уровни представления цифровых устройств. Тема лекции 2 Система счисления. План лекции 1. Алгебра логики 2. Логические элементы 3. Система счисления 1. Алгебра логики В цифровых устройствах используются только два символа 0 и 1, алгебра логики использует логические переменные и функции от них, которые также принимают только два значения - 0 и 1. В логике символы 0 и 1 не цифры. Основы алгебры логики придумал в середине XIX века ирландский математик Дж. Буль, поэтому алгебра логики иногда называется булева алгебра. В отличие от обычной математики, в алгебре логики операции сложения и умножения заменяют операцией логического умножения, которая обозначается словом конъюнкция, и операцией логического сложения (дизъюнкция). Для обозначения операций сложения и умножения используют специальные символы: \/ - логическое сложение, /\ - логическое умножение, но для простоты будем обозначать привычными + и х. Логическое умножение обозначается союзом "И". Если одна из переменных равна единице, другая нулю, то результат равен нулю. Результат равен единице, если обе переменных равны единице. Для логического сложения результат равен нулю только при совпадении нулей, для логического умножения результат равен единице только при совпадении единиц. Есть еще понятие отрицания, обозначаемое "НЕ". Понятие двоичной переменной, логических операций И, ИЛИ, НЕ образуют систему аксиом алгебры логики. Аналогично обычной алгебре, в булевой действительны свойства перестановки, сочетательности и распределительности: a + b = b + a a x b = b x a a + (b + c) = (a + b) + c a x (b x c) = (a x b) x c a x (b + c) = a x b + a x c Помимо этих есть и другие, свойственные только алгебре логики, законы: законы одинарных элементов; законы отрицания (правила де Моргана); распределительность дизъюнкции; правила поглощения Эти правила и законы позволяют значительно упростить логические уравнения и функции. Для начала посмотрим на логические элементы, реализующие все вышеперечисленное. Логический элемент «И» Двухвходовый логический элемент "И" обозначается так: x2 x1 y 1 1 1 1 1 Такая таблица называется таблицей истинности логического элемента. Она поясняет, как работает элемент, т. е. какой сигнал на его выходе при определенных сигналах на входе. Таблицы истинности присуще всем цифровым устройствам. В этой таблице символы x1 и x2 означают входные сигналы, y - выходные. Причем входы принято обозначать слева (это касается любых устройств), выходы - справа. Переменная х с индексом 1 обозначает младший разряд, x2 - старший. Символ & говорит о том, что это элемент "И". Логический элемент "ИЛИ" Логический элемент "ИЛИ" обозначается так: Его таблица истинности: x2 x1 y 1 1 1 1 1 1 1 То есть, единица на выходе тогда, когда хотя бы на одном из входов присутствует единица. Символ 1 говорит о том, что это элемент "ИЛИ". Логический элемент "НЕ" Логический элемент "НЕ", который иначе называется инвертор, обозначается так: Таблица истинности: x y 1 1 Как видно, этот элемент проще всех. О том, что это инвертор, говорит кружок на выходе элемента. В электронике принято кружком обозначать инверсию сигнала, т. е. переворот фазы на 180 градусов. Вспомните операционный усилитель (ОУ), неинвертирующий вход как обычно, инвертирующий с кружком, т. к. на выходе ОУ при подаче сигнала на инвертирующий вход сигнал переворачивается по фазе на 180 градусов, т. е. инвертируется. Теперь рассмотрим еще несколько элементов, имеющих некоторые особенности. Базисные элементы Очевидно, базис происходит от слова "база". Базисом называется совокупность элементов, с помощью которых схемотехнически можно реализовать устройство любой сложности. Базис "И-НЕ" И-НЕ - это схема И и схема НЕ, сложенные вместе. Операция, которую производит такой элемент называется инверсией логического умножения или отрицанием логического умножения, или инверсией конъюнкции и штрих Шеффера. Логический элемент И-НЕ обозначается так: Таблица истинности для него: x2 x1 y 1 1 1 1 1 1 1 Если к элементу И присоединить на выход инвертор, то получим элемент И-НЕ, если к элементу И-НЕ присоединить на выход инвертор, то получим элемент И. Если у элемента И-НЕ замкнуть входы, то получится инвертор. Базис ИЛИ-НЕ По аналогии с элементом И-НЕ. Операция, выполняемая элементом ИЛИ-НЕ называется инверсией логического сложения или инверсией дизъюнкции и еще красивым словосочетанием стрелка Пирса. Обозначается элемент ИЛИ-НЕ так: Таблица истинности: x2 x1 y 1 1 1 1 1 Рассмотрим элемент "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ".Операция, выполняемая таким элементом называется сложение по модулю два и обозначается плюсиком в кружочке, т. е. вот таким символом ⊕. В виде уравнения функция записывается так: X1⊕X2. Читается это, как "либо икс один, либо икс два". Обозначение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ следующее: Таблица истинности: x2 x1 y 1 1 1 1 1 1 Для наглядности составим схему из базисных элементов (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Представление чисел в цифровых устройствах Итак, как ранее упоминалось, в цифровых устройствах сигналы изменяются дискретно, принимая значения нуля и единицы. Любую аналоговую величину (т. е. непрерывную функцию) можно представить в виде комбинации нулей и единиц. Такая комбинация и называется цифровым кодом. Самым распространенным в цифровой технике является так называемый двоичный код. Мы же все привыкли к десятичному коду, который численно выражается, как ряд чисел от 0 до 9. Комбинацией этих символов можно получить любое число. А двоичный? Это явно не ряд от 0 до 1 (или 2). Двоичный код потому двоичный, что в нем используются степени числа 2. Суть состоит в том, что двоичный код есть сумма произведений вот этих 2n чисел на 0 или 1, ну в случае умножения на нуль получаем нуль. Числа 2n называются весовыми коэффициентами. Десятичное число Весовые коэффициенты 23 22 21 20 1 1 2 1 3 1 1 4 1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 1 8 1 9 1 1 10 1 1 11 1 1 1 12 1 1 13 1 1 1 14 1 1 1 15 1 1 1 1 Во-первых, двоичные числа читают справа налево. Самое правое число (0 или 1) называется младшим разрядом, самое левое - старшим разрядом. В таблице показаны коды 4-х разрядных двоичных чисел, причем 20 есть младший разряд числа, 23 старший разряд. Чем выше степень весового коэффициента старшего разряда (2n), тем выше разрядность двоичного числа. Каждая единица либо ноль, т. е. один разряд в двоичном коде называется битом, соответственно, в первой таблице все числа четырехбитные. Восьмиразрядное двоичное число называется байтом, т. е. в одном байте восемь бит. Еще восьмиразрядное двоичное число называется словом. Вывод: в цифровой технике считают от 0, а не как мы - от 1. Т. е. максимальное число в 4-х разрядном двоичном коде не 16, а 15, в пятиразрядном - 31, а не 32 и т. п. Восьмеричный код Этот код аналогичен двоичному, только разрядов 3 и максимальное число будет равно 7 (в двоичном коде 111). Двоично-десятичный код Двоично-десятичный код также полностью аналогичен двоичному. Единственное отличие состоит в том, что в десятичном эквиваленте такой код представляется, как ряд чисел от 0 до 9.. Шестнадцатеричный код Иногда шестнадцатеричный код называется гексагональным. Такой код широко используется в вычислительной технике. Еще он называется код с основанием 16 (двоичный зовут с основанием 2). В отображении шестнадцатеричного кода используются цифры от 0 до 9 и первые буквы латинского алфавита A, B, C, D, E, F. Лекция 3 Постоянные запоминающие устройства» План лекции 1.Масочное ПЗУ. 2. Программируемое ПЗУ . 3. Программируемая логическая матрица. 4.Репрограммируемое ПЗУ. 1. Масочное ПЗУ Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) предназначены для хранения информации, например, таблиц, программ, каких-либо констант. Информация в ПЗУ хранится при отключенном источнике питания, т. е. ПЗУ являются энергонезависимыми микросхемами памяти и работают только в режиме многократного считывания информации. По способу занесения информации в ПЗУ (программирования) их делят на 3 группы: • Однократно программируемые изготовителем, называемые масочными (заказными) или сокращенно ПЗУМ, ( ROM). • Однократно программируемые пользователем (обычно способом пережигания плавких перемычек на кристалле) или ППЗУ, ( PROM). • Многократно программируемые пользователем (репрограммируемые) или РПЗУ (EPROM). В однократно программируемых ПЗУ вместо элемента памяти, как в ОЗУ, ставится перемычка между шинами в виде пленочных проводников, диодов, транзисторов. Наличие перемычки соответствует лог. 1, ее отсутствие - лог. 0 или наоборот. Процесс программирования таких ПЗУ заключается в пережигании ненужных перемычек и поэтому в дальнейшем ПЗУ такого рода программировать нельзя. Посмотрим на структуру масочного ПЗУ с матрицей 32х32 на биполярных транзисторах: Рис. 2.1 - Структура масочного ПЗУ (32х32) Матрица состоит из 32-х транзисторов по числу строк (0-i-32), каждый из которых имеет 32 эмиттера по числу столбцов. Коллекторы всех транзисторов соединены с шиной питания (Ucc). Базы транзисторов образуют строки матрицы. Эмиттеры либо имеют соединение с разрядной шиной (цифра 1 и черный кружочек), либо не имеют (0 и пустой кружок). Разрядные шины разделены на 4 группы по 8 (4х8=32). Каждая из 4-х групп замыкается на селектор MS1-MS4, который под управлением сигналов с выходов дешифраторов столбцов (DCY) выбирает из 8-ми одну и коммутирует ее на выходы. 2. Программируемое ПЗУ Программируемые пользователем ПЗУ (ППЗУ) похожи на масочные и отличаются от них тем, что программирование осуществляет пользователь. Для этого в структуре микросхемы предусмотрены специальные устройства, стоящие на выходах и обеспечивающие формирование тока программирования. Микросхемы ППЗУ выпускаются с целыми металлопленочными перемычками из легкоплавкого материала (например, нихрома) с низким сопротивлением. Для программирования ППЗУ, у которых в исходном состоянии записаны лог. 0, необходимо подвести код адреса программируемого элемента и подать на выход, к которому этот элемент памяти относится, одиночный импульс напряжения. 3. Программируемая логическая матрица Программируемые логические матрицы (ПЛМ) являются разновидностью ППЗУ. Микросхема ПЛМ включает в себя операционную часть из матрицы И, матрицы ИЛИ, входных и выходных усилителей, программирующую часть из адресных формирователей и программируемого дешифратора. Матрица И выполняет операции логического умножения над входными переменными и их инверсными значениями. 4. Репрограммируемое ПЗУ Репрограммируемые ПЗУ разделяются на два класса: • С режимом записи и стирания электрическим сигналом. • С режимом записи электрическим сигналом и стиранием ультрафиолетовым излучением. Микросхемы РПЗУ допускают возможность многократного программирования (от сотен до тысяч циклов), способны сохранять информацию при отсутствии питания несколько тысяч часов, требуют значительного времени на перепрограммирование (что исключает возможность использовать в качестве ОЗУ), имеют сравнительно большое время считывания. Элементом памяти в РПЗУ является полевой транзистор со структурой МНОП или МОП с плавающим затвором или ЛИЗМОП - МОП транзистор с лавинной инжекцией заряда. В РПЗУ на МНОП транзисторах стирание производится электрическим сигналом, который вытесняет накопленный под затвором заряд. В РПЗУ на ЛИЗМОП транзисторах стирание записанной информации происходит под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения, которое облучает кристалл через специальное окно в корпусе микросхемы. Лекция 4 Оперативные запоминающие устройства План лекции: 1. Статическое ОЗУ 2. Динамическое ОЗУ 1. Статическое ОЗУ Запоминающие устройства (ЗУ) служат для приема, хранения и выдачи информации. Запоминающие устройства по выполняемым функциям делятся на оперативные и постоянные. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) осуществляют запись, хранение и считывание информации и работают только при включенном питании, т. е. ОЗУ являются энергозависимыми. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) хранят информацию при отключении питания, т. е. ПЗУ являются энергонезависимыми. ОЗУ по виду хранения информации разделяются на статические и динамические. В статическом ОЗУ в качестве элемента памяти используется триггер, в динамическом - конденсатор. RAM (random access memory - память с произвольным доступом). Статическое ОЗУ соответственно SRAM, динамическое DRAM. На рисунке 3.1 показана структура статического запоминающего устройства. Рис. 3.1 - Структура статического ОЗУ ЭП - это элемент памяти. Еще его называют запоминающим элементом (ЗЭ). Все эти элементы памяти заключены в матрице накопителя. Число элементов равно 2n, где n - целое число. Каждый конкретный ЭП хранит один бит информации и имеет свой адрес, задаваемый n-разрядным двоичным кодом. Для удобства адрес разбивают на две части (обычно одинаковые) - адрес строки и адрес столбца. В итоге получается прямоугольная матрица, содержащая 2k строк и 2m столбцов. Всего элементов памяти будет 2k+m. Рассмотрим один из вариантов исполнения элемента памяти статического ОЗУ. Рис. 3.2 - Элемент памяти статического ОЗУ Элементом памяти является D-триггер, находящийся на пересечении i-й строки и j-го столбца. Для уменьшения количества выводов микросхем ОЗУ совмещают входы и выходы в них. Поэтому на схеме введен еще и электронный ключ SW. При уровнях лог. 1 на линиях i и j и при подаче сигнала разрешения записи WR=1, в триггер записывается информация, которая поступает на вход D. При этом шина Вх./Вых. оказывается подключенной к D входу триггера через электронный ключ SW и выполняет функции входа, при снятии сигнала WR ключ подключает к шине Вх./Вых. выход триггера, и эта шина выполняет функции выхода. 2. Динамическое ОЗУ Как говорилось ранее, в динамическом ОЗУ функции элемента памяти выполняет конденсатор. Информация представляется электрическим зарядом, к примеру, если есть заряд на конденсаторе, значит в элемент памяти записана лог. 1, нет заряда - лог. 0. Ну а поскольку время сохранения на конденсаторе заряда ограничено (вследствие утечки), необходимо периодически восстанавливать записанную информацию. Этот процесс называется регенерацией. Помимо этого, для динамического ОЗУ требуется синхронизация, обеспечивающая последовательность включений функциональных узлов. Для реализации элемента памяти динамического ОЗУ широко применяется схема, показанная на рисунке 3.3. Рис. 3.3 - Элемент памяти динамического ОЗУ Выбор элемента памяти производится сигналом лог. 1 на шине строки. Транзистор VT2 открывается и соединяет конденсатор С1 с шиной столбца. РШ - разрядная шина. Предварительно через транзистор VT1, который открывается сигналом "Такт (С)", заряжается емкость Сш до напряжения U0. Емкость Сш должна значительно превышать емкость С1. Таблица с обозначением сигналов микросхем памяти: Сигнал Обозначение Адрес А Тактовый сигнал С Строб адреса столбца CAS Строб адреса строки RAS Выбор микросхемы CS Разрешение CE Запись WR Считывание RD Запись-считывание W/R Разрешение записи WE Разрешение по выходу OE Данные (информация) D Входные данные DI Выходные данные DO Адрес, данные; вход, выход ADIO Данные вход, выход DIO Регенерация REF Программирование PR Стирание ER Напряжение питания Ucc Напряжение программирования UPR Общий вывод OV СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 Основная литература 1. Безуглов, Д.А., Калиенко И.В. Цифровые устройства и микропроцессоры.- Ростов н/ Д: Феникс, 2006.-480 с. 2.Васильев, А.Е. Микроконтроллеры.-БХВ- Петербург, 2008- 304 с. 3. Фрунзе, А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! – изд.дом «Додэка –ХХI», 2007. – 312 4.Савилов, Г.В. Электротехника и электроника. Курс лекций - издательско-торговая корпорация «Дашко и К», 2008. -324с.