В с т у п

У сучасній науці і техніці значну й усе більш зростаючу роль грають цифрові методи обробки інформації. У зв'язку з цим швидко розширюється область застосування цифрових систем - технічних засобів, що виконують завершальний процес обробки цифрової інформації, що включає в себе її прийом, збереження, необхідні перетворення і видачу. Виникла нова галузь науки і техніки - цифрова схемотехніка, що вивчає принципи побудови, методи проектування і способи технічної реалізації цифрових схем (систем). Цифрова схемотехніка використовує досягнення суміжних фундаментальних і прикладних наук, таких як математична логіка, кібернетика, електроніка й ін.

Основу цифрової схемотехніки складають цифрові інтегральні мікросхеми. Параметром, що визначає рівень складності мікросхем, є ступінь компонентної інтеграції, що кількісно характеризується величиною

де \/- загальне число компонентів, розташованих на кристалі мікросхеми, умовно підрозділяються на малі (МІС, < 1-0). середні (СІС,2< <О...4), великі (ВІС,3...4< < 5) і найбільші (НБІС,>5)

Якщо мікросхема містить складно функціональні (інтегровані)

компоненти, що займають велику площу на кристалі, то при оцінці складності вони заміняються еквівалентною кількістю простих компонентів.

Сукупність логічних елементів, що забезпечують виконання мікро операції, називається функціональним вузлом. Такими функціональними вузлами є наприклад, суматори, перетворювачі кодів, регістри зсуву, лічильники й ін.

Функціональні вузли, що входять до складу одного пристрою і виконують однотипні мікро операції, часто поєднують у функціональні блоки (арифметико-логічний блок, блок пам'яті, блок керування й ін.).

За принципом логічного функціонування усі вузли і блоки цифрових пристроїв поділяються на два класи: комбінаційні і послідовні.

Комбінаційні вузли і блоки не мають пам'яті, їхній логічний стан, однозначно визначається комбінацією вхідних змінних наявною в даний момент часу (логічний автомат без пам'яті).

Логічний стан послідовних вузлів і блоків, що мають пам'ять однозначно визначається комбінаціями вхідних змінних як у дійсний, так і в попередні моменти часу, тобто послідовністю надходження вхідних змінних (логічний автомат з пам’ттю).

Цифрові пристрої (вузли, блоки) підрозділяються на два великих класи: синхронні й асинхронні. У синхронних пристроях початок виконання кожної мікрооперації чітко фіксується в часі (синхронізується) надходженням синхронізуючого (тактового) сигналу. Ці сигнали мають вид імпульсів, послідовність яких виробляється спеціальним генератором, що входить до складу системи. Період синхроімпульсів є, таким чином, мінімальним часом між виконанням у системі двох послідовних мікрооперацій, тобто служить одиницею машинного часу, називаної тактом. В залежності від структури системи за один такт можуть виконуватися одна чи кілька мікрооперацій, якщо вони сполучені в часі. Тривалість такту повинна бути достатньо.для виконання функціональним вузлом (блоком) найбільш тривалої мікрооперації. В асинхронних пристроях відсутні синхронізуючі сигнали. У ці пристрої включені спеціальні схеми, що після закінчення кожної мікрооперації виробляють сигнал, що дозволяє виконання наступної мікрооперації.

Синхронні пристрої більш складні і мають меншу швидкодію, ніж асинхронні. Однак, організація чіткої безпомилкової роботи великих асинхронних систем виявляється практично
нерозвязуваною задачею через значних розкидів часу виконання різних мікрооперацій. Тому досить складні цифрові системи звичайно робляться синхронними.

Основними параметрами цифрових систем є потужність, споживана від джерел живлення і продуктивність. Споживана потужність визначається з виразу

де U_uni, I_ni - відповідно напруга і середній струм джерела живлення для 1-го вузла (блока); сума береться по усіх вузлах (блоках), що входять у систему.

Спосіб оцінки продуктивності цифрових систем залежить від області їхнього застосування. Для систем обробки інформації показником продуктивності є швидкість виконання операцій: число операцій, виконаних у секунду (оп/с). Продуктивність систем цифрового зв'язку, ряду інформаційних і вимірювальних систем оцінюється швидкістю передачі ними цифрової інформації (біт/с).

Найважливішою характеристикою системи є її надійність, обумовлена часом безвідмовної роботи ТО чи середньою частотою відмовлень. Важливими є і такі параметри, як маса і габарити.

При проектуванні цифрових пристроїв, при рішенні
задач синтезу цифрових схем виділяються два можливих
альтернативних методи:

- метод, заснований на використанні схем з "жорстокою" логікою;

- метод, заснований на застосуванні мікропроцесорів.

У кожному конкретному завданні вибирається один з методів з використанням економічного критерію. Однак, у більшості випадків обидва методи сполучаються. Тому необхідно добре володіти знаннями булевої алгебри, що лежить в основі теорії логічних схем, і в остаточному підсумку в проектуванні пристроїв з "жорсткою’’ логікою як комбінаційного, так і послідовного типів. До того ж студент, який фундаментально володіє синтезом цифрових схем, легше засвоїть проектування на базі мікропроцесорів.

1. ОСНОВИ ТЕОРІЇ ЦИФРОВИХ ПРИСТРОЇВ

Усі цифрові пристрої будуються на елементах, що виконують ті чи інші логічні операції.

Електричні сигнали, що діють в електричних пристроях, представляються двійковими кодами, математичне моделювання таких пристроїв _і засновані, на використанні двозначної логіки, у якій змінні можуть приймати одне з двох значень. Ці значення відповідають двом можливим станам реальних об'єктів. Вони позначаються цифрами 0 і 1

Фізичними аналогами цифр 0 і 1 двійкового алфавіту служать сигнали, здатні приймати два добре помітних значення, наприклад, напруга (потенціал) високого чи низького рівнів, чи відсутність наявність, електричного імпульсу, протилежні за знаком значення магнітної індукції і т.п.

Між собою різні логічні змінні можуть бути зв’язані
функціональними залежностями. Наприклад, вираз Y = /
(ХІ, Хг) вказує на функціональну, залежність логічної
змінної Y від логічних змінних ХІ і Х2, названих аргументами (чи вхідними змінними). Для запису однієї і
тієї ж перемикальної функції можна використовувати різні
форми.

Яким би складним не був логічний зв'язок між
перемикальною функцією і її аргументами, цей зв'язок завжди
можна представити у вигляді сукупності найпростіших логічних
операцій.

При проектуванні різних цифрових схем необхідно знати основи теорії кодування, основні закони булевої алгебри, способи завдання перемикальних функцій і їх мінімізацію.

Дата добавления: 2015-06-27