Основные определения. Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую

Основы ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ТЕМА 1

ВВЕДЕНИЕ

Лекция 1.

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 основе цифровой технологии. Видимо, в ближайшем будущем полностью аналоговые устройства будут применяться только в тех редких случаях, когда требуется получить рекордные значения некоторых параметров электронных устройств (например, быстродействия).

Данное учебное пособие посвящено основам цифровой схемотехники, ее азбуке, ее основным методам, подходам и приемам. Отличие ее состоит в том, что она может дать представление о цифровой схемотехнике даже тем студентам, которые имеют слабое представление об электронике вообще. Материал данной работы представляет собой тот необходимый минимум знаний, который должен иметь и которым должен свободно и активно пользоваться каждый профессиональный разработчик цифровой аппаратуры.

Сигнал — это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока т.д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени 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 в последнее время 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.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (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 единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

В Природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах, Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические Величины л пропорциональные им напряжение или гон, выполняли над ними какие-то операции, и затем выполнив 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.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Аналоговые сигналы и работающая с ними аналоговая электроника имеют большие недостатки, связанные именно с природой аналоговых сигналов. 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 трансформаторов).

Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

• обработка (или преобразование);

• передача;

• хранение.

Во всех случаях полезные сигналы искажаются паразитными сигналами — шумами, помехами, наводками. При обработке сигналов (например, при усилении, фильтрации) еще искажается их форма из-за несовершенства, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослабляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и цифрового сигнала (справа).

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.

В отличие от аналоговых, информационные 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 параметре и никак не отражается на их функционировании. Цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники.

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 времени (то есть только и выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сделана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема полезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых сигналов (обычно от 4 до 16).

В природе все сигналы аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей). Плата за преимущества цифровых устройств может порой оказаться неприемлемо большой.

1.2. Модели и 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.

Рис 1.3. Цифровая микросхема.

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 и виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов.

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 напряжения. В этом случае говорит, что принята «положительная логика». Иногда логический нуль кодируется положительным уровнем напряжения (тока), а логическая единица — отрицательным уровнем напряжения (тока) или наоборот. В этом случае говорят об «отрицательной логике». Есть и более сложные методы кодирования логических нулей и единиц. Но в основном используется положительная логика.

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, ни 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, оптимизированные по числу используемых аппаратурных модулей, 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 самом сложной, модели. Правда, простота цифровых устройств по сравнению с аналоговыми устройствами обычно не дает возможности сделать чересчур серьезные ошибки.

В подавляющем большинстве случаев разработчики цифровых схем используют три модели, три уровня 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 первая, простейшая модель оказывается достаточной 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 элементом, позволяет охватить около 80% всех возможных схем. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и в случае одновременного изменения нескольких входных сигналов. Наконец, добавление третьей модели, учитывающей входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов, позволяет проектировать 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, в линейный режим).

Таблица 1.1. Таблица истинности инвертора

Вход	Выход

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, Таблица истинности инвертора (табл. 1.1) элементарно проста, так как возможны 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.

Рис. 1.4. Три уровня представления цифровых устройств.

Из рисунка видно, что и 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.

На практике разработчик, как правило, в начале проектирования пользуется исключительно первой моделью, а затем для некоторых узлов применяет вторую модель 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 в схему нужно внести изменения.

Рис. 1.5. Суммирование задержек 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.

Рис. 1.6. Суммирование входных токов элементов.

Таким образом, 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 относится ко второму уровню представления. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1нс = 10^-9 с) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справочниках всегда указывается максимальное значение задержки. Необходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль (t_PHL) как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу (t_PLH). Например, для одной и той же микросхемы t_PLH < 11, а t_PHL < 8 нс. Здесь английская буква Р означает Propagation (распространение), L означает Low (низкий уровень сигнала, нуль), а Н — High (высокий уровень сигнала единица). Количество величин задержек, определяемых справочником для микросхемы, может изменяться от двух до нескольких десятков.

Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжении относятся к третьему уровню представления.

Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля (I_IL), как правило отличается от входного тока при приходе на вход логической единицы (I_IH). Например, I_IL = - 0,1 мА, а I_IH = 20 мкА (считается, что положительный ток втекает ви вход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Точно так же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля (I_OL) может отличаться (и обычно отличается) от выходного тока при выдаче логической единицы (I_OH) - Например, для одной и той же микросхемы I_OH < - 0,4 мА. a I_OL < 8 мА (считается, что положительный ток втекает в выход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Надо также учитывать, что равные входы и выходы одной и той же микросхемы могут иметь различные входные и выходные токи.

Дли выходных напряжений логического нуля (U_OL) и единицы (U_OH) в справочниках обычно задаются предельно допустимые значения при заданной величине выходного тока. При том, чем больше выходной ток, тем меньше напряжение логической единицы и тем больше напряжение логического нуля. Например, U_OH > 2,5 В (при I_OH < - 0,4 мА), a U_OL < 0,5 В (при I_OL < 8 мА).

Задаются в справочниках также и допустимые уровни входных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, Uih > 2,0 В, Uil, < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логических сигналов не должны выходить за пределы напряжения.

В обозначениях напряжений и токов буква I означает Input (вход), буква О означает Output (выход), L — Low (нуль), а Н — High (единица).

К третьему уровню представления относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы (обычна от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к которой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки C_L, (порядка 100 пФ). Отметим, что 1пФ = 10^-12 Ф. На этом же уровне представления задаются максимально допустимые величины длительности положительного фронта (t_LH) и отрицательного фронта (t_HL) входного сигнала, например t_HL < 1,0 мкс, (t_LH) < 1,0 мкс. 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 (Ucc) и максимальный ток, потребляемый микросхемой (I_CC). Например, может быть задано:

При этом потребляемый ток I_CC зависит от уровней выходных токов микросхемы I_OL и I_OH. 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 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…1,4 В.

• Помехозащищенность -— параметр, характеризующий величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов. Помехозащищенность определяется разницей между напряжением U_IH и порогом срабатывания (это помехозащищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и U_IL (это помехозащищенность нулевого уровня).

• Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Этот параметр 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. Достаточно знать примерные типовые значения параметров для данной серии микросхем,

1.3. Входы и выходы цифровых микросхем

Характеристики и параметры входов и выходов цифровых микросхем определяются прежде всего технологией и схемотехникой внутреннего строения микросхем. Но для разработчика цифровых устройств любая микросхема представляет собой всего лишь «черный ящик», внутренности которого знать не обязательно. Ему важно только четко представлять себе, как поведет себя та или иная микросхема в данном конкретном включении, будет ли она правильно выполнять требуемую от нее функцию.

Наибольшее распространение получили две технологии цифровых микросхем:

• ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) — биполярная транзисторно-транзисторная логика и ТТЛ с диодами Шоттки;

• КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл-окисел-полупроводник».

Рис. 1.7. Входной и выходной каскады микросхем ТТЛШ.

Рис. 1.8. Входной и выходной каскады микросхем КМОП.

Различаются они типами используемых транзисторов и схемотехническими решениями внутренних каскадов микросхем. Отметим также, что микросхемы КМОП потребляют значительно меньший ток от источника питания, чем такие же микросхемы ТТЛ (или ТТЛШ), правда, только в статическом режиме или на небольших рабочих частотах. На рис. 1.7 и 1.8 показаны примеры схем входных и выходных каскадов микросхем, выполненных по этим технологиям. Понятно, что точный учет всех: эффектов в этих схемах, включающих в себя множество транзисторов, диодов и резисторов, крайне сложен, но обычно он просто не нужен разработчику цифровых схем.

Рассмотрим входы микросхем.

На первом уровне представления (логическая модель) и на втором уровне представления (модель с временными задержками) о входах микросхем вообще ничего знать не надо. Вход рассматривается как бесконечно большое сопротивление, никак не влияющее на подключенные к нему выходы. Правда, количество входов, подключаемых к одному выходу, влияет на задержку распространения сигнала, но, как правило, незначительно, поэтому это влияние учитывается редко.

Даже па третьем уровне представления (электрическая модель) в большинстве случаев не надо знать о внутреннем строении микросхемы, о схемотехнике входов. Достаточно считать, что при подаче на вход сигнала логического нуля из этого входа вытекает ток, не превышающий I_IL, а при подаче сигнала логической единицы в этот вход втекает ток, не превышающий I_IH. А для правильной логики работы микросхемы достаточно, чтобы уровень напряжения входного сигнала логического нуля был меньше Uil, а уровень напряжения входного сигнала логической единицы был больше U_IH.

Особым случаем является ситуация, когда какой-нибудь вход не подключен ни к одному из выходов, ни к общему проводу, ни к шине питания (так называемый висящий вход). Иногда возможности микросхемы используются не полностью, и на некоторые входы не подаются сигналы. Однако при этом микросхема может не работать или работать нестабильно, так как ее правильное включение подразумевает наличие на всех входах логических уровней, пусть даже и неизменных. Поэтому рекомендуется подавать на неиспользуемые входы напряжение питания микросхемы Ucc или подключать их к общему проводу (земле) в зависимости от того, какой логический уровень необходим на этом входе. Но для некоторых серий микросхем, выполненных по технологии ТТЛ (например, К155 или КР531), неиспользуемые входы надо подключать к шине питаний не прямо, а только через резистор величиной около 1 кОм (достаточно одного резистора на 20 входов).

На неподключенных входах микросхем ТТЛ формируется напряжение около 1,5—1,6 В, которое иногда называют висячим потенциалом. Обычно этот уровень воспринимается микросхемой как сигнал логической единицы, но надеяться на это не стоит. Потенциал, образующийся на неподключенных входах микросхем КМОП, может восприниматься микросхемой и как логический нуль, и как логическая единица- В любом случае все входы надо куда-то подключать. Неподключенными допускается оставлять только те входи (ТТЛ, а не КМОГ1), состояние которых в данном включении микросхемы не имеет значения,

Выходы микросхем принципиально отличаются от входов тем, что учет их особенностей необходим даже на первом и второй уровнях представления.

Существуют три разновидности выходных каскадов, существенно различающихся как по своим характеристикам, так и по области применения:

* стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается 2С, 2S или, реже, ТТЛ, TTL);

* выход c открытым коллектором (обозначается (ОК, ОС);

* выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью отключения (обозначается ЗС, 3S).

Стандартный выход 2С имеет всего два состояния; логический нуль и логическую единицу, причем оба этих состояния активны, то есть выходные токи в обоих этих состояниях (I_OL. и I_OH) могут достигать заметных величин. На нервом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух выключателей, которые замыкаются по очереди (рис, 1.9), причем замкнутому верхнему выключателю соответствует логическая единица на выходе, а замкнутому нижнему — логический нуль.

Выход с открытым коллектором ОК тоже имеет два возможных состояния, но только одно из них. (состояние логического нуля) активно, то есть обеспечивает большой втекающий ток I_OL. Второе состояние сводится, по сути, к тому, что выход полностью отключается от присоединенных к нему входов. Это состояние может использоваться в качестве логической единицы, но для этого между выходом ОК и напряжением питания необходимо подключить нагрузочный резистор R (так. называемый pull-up) величиной порядка сотен Ом. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из одною выключателя (рис. 1.9), замкнутому состоянию которого соответствует сигнал логического нуля, а разомкнутому — отключенное, пассивное состояние. Правда, от величины резистора R зависит время переключения выхода из нуля в единицу, что влияет на задержку t_LH, но при обычно используемых номиналах резисторов это не слишком важно.

Рис. 1.9. Три варианта выходов цифровых микросхем,

Наконец, выход с тремя состояниями ЗС очень похож на стандартный выход, но к двум состояниям добавляется еще и третье — пассивное, в котором выход можно считать отключенным от последующей схемы. На первом и втором уровнях представления такой выход можно считать состоящим из двух переключателей (рис, 1.9), которые могут замыкаться по очереди, давая логический нуль и логическую единицу, но могут и размыкаться одновременно. Это третье состояние называется также высокоимпедансным или Z-состоянием, Для перевода выхода в третье Z-состояние используется специальный управляющий вход, обозначаемый ОЕ (Output Enable — разрешение выхода) иди EZ (Enable Z-state — разрешение Z-состояния, или третьего состояния).

Почему же помимо стандартного выхода (2С) были предложены еще два типа выходов (ОК и ЗС)? Дело в том, что выходы, имеющие помимо активных состояний еще и пассивное состояние, очень удобны для объединения их между собой. Например. если на один и тот же вход надо по очереди подавать сигналы с двух выходов (рис. 1.10), то выходы 2С для этого не подходят, а вот выходы ОК и ЗС подходят.

Рис. 1.10. Объединение выходов цифровых микросхем,

При объединении двух или более выходов 2С вполне возможна ситуация, при которой один выход стремится выдать сигнал логической единицы, а другой — сигнал логического нуля. Легко заметить, что в этом случае через верхний замкнутый ключ выхода, выдающего единицу, и через нижний замкнутый ключ выхода, выдающего нуль, пойдет недопустимо большой ток короткого замыкания I_КЗ. Это аварийная ситуация, при которой уровень получаемого выходного логического сигнала точно не определен, он может восприниматься последующим входом и как нуль, и как единица. Конфликтующие выходы могут даже выйти из строя, нарушив работу микросхем и схемы в целом.

Зато в случае объединения двух выходов ОК такого конфликта в принципе произойти не может. Даже если ключ одного выхода замкнут, а другого разомкнут, аварийной ситуации не произойдет, так как недопустимо большого тока не будет, а на объединенном выходе будет сигнал логического нуля. А при объединении двух выходов ЗС аварийная ситуация хотя и возможна (если оба выхода одновременно находятся в активном состоянии), но ее легко можно предотвратить, если организовать схему так, что в активном состоянии всегда будет находиться только одни из объединенных выходов ЗС.

Объедините выходов цифровых микросхем совершенно необходимо также при шинной (или, как еще говорят, магистральной) организации связей между цифровыми устройствами. Шинная организация связей применяется, например, в компьютерах, других микропроцессорных системах. Суть ее сводится к следующему.

Рис. 1.11. Классическая организация связей

При классической организации связей (рис. 1.11) все сигналы между устройствами передаются по-своим отдельным лилиям (проводам). Каждое устройство передает свои сигналы всем другим устройствам независимо от других устройств, В этом случае обычно получается очень иного линий связи, к тому же правила обмена сигналами по этим линия (или протоколы обмела) чрезвычайно разнообразны.

Рис. 1.12. Шинная организация связей.

При шинной организации связей (рис. 1.12) все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям (проводам), но в разные моменты времени (это называется временным мультиплексированием), В результате количество линий связи резко сокращается, а правила обмена сигналами существенно упрощаются. Группа линий (сигналов), используемая несколькими устройствами, как раз и называется шиной. Понятно, что объединение выходов в этом случае совершенно необходимо, ведь каждое устройство должно иметь возможность выдавать свой сигнал на общую линию. К недостаткам шинной организации относится прежде всего невысокая (но сравнению с классической структурой связей) скорость обмена сигналами, При простых структура связи шинная организация может быть избыточна.

Но вернемся к типам выходов цифровых микросхем.

На третьем уровне представления (электрическая модель) необходимо уже учитывать, что выходные ключи (рис. 1.9) представляют собой не простые тумблеры (как на первых двух уровнях, представления), а транзисторные ключи со своими специфическими параметрами. Однако в большинстве случаев достаточно знать, какой ток может выдать данный, выход в состояниях логического нуля (I_OL) и логической единицы (I_OH). Величины этих токов не должны превышать суммы токов всех входов, подключенных к данному выходу (соответственно I_IL, и I_IH). Количество входов, которое можно подключить к одному выходу, определяет коэффициент разветвления или нагрузочную способность микросхемы. Существуют микросхемы с обычной нагрузочной способностью и с повышенной нагрузочной способностью (больше обычной в два раза и более). Выходы ЗС, как правило, имеют повышенную нагрузочную способность (то есть обеспечивают большие выходные токи). Выходы 2С и ОК могут быть как с обычной, так и с повышенной нагрузочной способностью.

На третьем уровне представления (электрическая модель) необходимо также учитывать выдаваемые выводом микросхемы величины выходных напряжений U_OL и U_OH. Выходы ОК могут быть рассчитаны как на обычное выходное напряжение логической единицы ( U_OH = Uсс = 5 В), так и на повышенное напряжение логической единицы (до 30 В). В последнем случае внешний резистор этого выхода (см. рис. 1.9) подключается к источнику повышенного напряжения.

Только в сложных случаях, например при переводе логического элемента в линейный режим за счет обратных связей, нужен учет других параметров входных и выходных каскадов. Но в этих редких случаях гораздо проще и надежнее не считать ничего самому, а воспользоваться стандартными схемами включения микросхем или подобрать режимы работы и номиналы внешних элементов (резисторов, конденсаторов) непосредственно на макете проектируемого устройства. В отличие от расчетов такой подход даст полную гарантию работоспособности выбранного решения.

1.4. Основные обозначения на схемах

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

• принципиальная схема;

• структурная схема;

• функциональная схема.

Различаются эти три вида схем своим назначением и, самое главное, степенью детализации изображения устройств,

Принципиальная схема — это наиболее подробная схема. 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 — это наименее подробная схема. Она предназначена для отображения обшей 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 схем. Некоторые наиболее простые блоки, узлы, части устройства отображаются на ней, как на структурной схеме, а остальные — как на принципиальной схеме. Функциональная схема позволяет понять всю логику работы устройства, все его отличия от других подобных устройств, но не позволяет без дополнительной самостоятельной работы воспроизвести эту устройство. Что касается обозначений, используемых на функциональных схемах, то в части, показанной как структура, они не стандартизованы, а в части, показанной, как принципиальная схема, они стандартизованы.

В технической документация обязательно приводится структурная или функциональная схема, а также обязательно принципиальная схема. Рассмотрим основные обозначения, используемые на схемах.

Вес узлы, блоки, части, элементы, микросхемы показываются в виде прямоугольников с соответствующими надписями. Все связи между ними, все передаваемые сигналы показываются 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 показывают, если, конечно, не используются нестандартные включения элементов схемы. Это самые общие правила, касающиеся любых схем.

Прежде чем перейти к более частым правилам, надо датъ несколько определений.

Положительный сигнал (сигнал положительной полярности)— это сигнал, активный уровень которого — логическая единица, то есть: нуль — это отсутствие сигнала, единица — сигнал пришел (рис. 1.13).

Отрицательный сигнал (сигнал отрицательной полярности)— это сигнал, активный уровень которого — логический нуль, то есть: единица — это отсутствие сигнала, нуль — сигнал пришел (рис. 1.13).

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 уровень.

Задний фронт сигнала — это переход сигнала из активного уровня в пассивный уровень.

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

Шина — группа сигналов (и соответствующих физических линий передачи этих сигналов), объединенных по какому-то принципу. Например, шиной называют сигналы, соответствующие всем разрядам какого-то двоичного кода.

Для обозначения полярности сигнала на схемах используется простое правило: если сигнал отрицательный, то перед его названием ставится знак минус, например, —WR или —ОЕ, 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. 1.14).

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, какой фронт — положительный или отрицательный — используется в данном случае (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Обозначение входов и выходов.

Тип выхода микросхемы помечается специальным значком: выход ЗС — перечеркнутым ромбом, а выход ОК — подчеркнутым ромбом (рис. 1.14). 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. 1.15).

В схемах также предусматриваются специальные обозначения для шин (рис. 1.16). 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 показываются в виде перпендикулярных к шине тонких линий с указанием их номера или названия (рис. 1.16). При передаче по шине двоичного кода нумерация начинается с младшего разряда кода.

Рис. 1.15. Обозначение неинформационных выводов.

Рис. 1.16. 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 вертикальных поля. Левое поле относится к входным сигналам, правое — к выходным сигналам. В центральном поле помещаются 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. 1.2 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 1.2. Некоторые обозначения сигналов и микросхем

Обозначение	Название	Назначение
&	And	Элемент И
=1	Exclusive Or	Элемент Исключающее ИЛИ
	Or	Элемент ИЛИ
А	Address	Адресные разряды
BF	Buffer	Буфер
С	Clock	Тактовый сигнал (строб)
СЕ	Clock Enable	Разрешение тактового сигнала
СТ	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
IО	Input/Output	Вход/Выход
ОЕ	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
Т	Trigger	Триггер
ТС	Terminal Count	Окончание счета
Z	Z-state	Третье состояние выхода

1.5. 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). Выпуском 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 (ТП). 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.

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

Рис. 1.17. Система обозначений фирмы Texas Instruments.

В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 1.17). Полное обозначение состоит из шести элементов:

1. Идентификатор фирмы SN (для серий АС и ACT отсутствует).

2. 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 окружающей среды 55...+125°С).

3. 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.

• НС (High Speed CMOS) — высокоскоростная КМОП серия.

• НСТ (High Speed CMOS with TTL inputs) — серия НС, совместимая по входу с ТТЛ.

• AC (Advanced CMOS) — улучшенная серия КМОП.

• ACT (Advanced CMOS with TTL inputs) — серия АС, совместимая по входу с ТТЛ.

• BCT (BiCMOS Technology) — серия с БиКМОП технологией.

• АВТ (Advanced BiCMOS Technology) — улучшенная серия с БиКМОП технологией.

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

4. Идентификатор специального типа (2 символа) — может отсутствовать.

5. Тип микросхемы (от двух до шести цифр). Перечень некоторых типов микросхем приведен в Приложении.

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

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 1.18). Основные элементы обозначения следующие:

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

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

3. Номер серии микросхем (от трех до четырех цифр).

4. Функция микросхемы (две буквы).

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

Рис. 1.18. Обозначения отечественных микросхем.

Примеры обозначений: КР1533ЛАЗ, КМ531ИЕ17, 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?

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. 1.3).

На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (табл. 1.3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, например, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

Серия К155 (SN74) — это наиболее старая серия, 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 серии К155.

Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (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 серией 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 серии К555.

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

Серия КР1554 (SN74AC) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она характеризуется сверхмалыми входными токами и сверхмалым потреблением при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у серии К155.

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

Следует отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и выполняются не для всех разновидностей микросхем, имеющихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо находить в справочниках, причем желательно использовать фирменные справочные материалы.

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 (74АС). При таком соединении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между линиями сигнала и напряжения питания (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Сопряжение микросхем ТТЛ и КР1554 (КМОП).

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, когда необходимо получить очень высокое быстродействие. Не рекомендуется также применять в одном и том же устройстве мощные быстродействующие и маломощные микросхемы.

1.6. Корпуса цифровых микросхем

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

• 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. 1.20). 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. 1.20). Расстояние между выводами составляет 0,05 дюйма (1,27 мм) или 0,025 дюйма (0,0628 мм).

DIL Flat

Рис. 1.20. Примеры корпусов DIL и Flat

Номера выводов всех корпусов считаются начиная с вывода, помеченного ключом, по направлению против часовой стрелки (если смотреть на микросхему сверху). Ключом может служить вырез на одной из сторон корпуса микросхемы, точка около первого вывода или утолщение первого вывода (рис. 1.20). Первый вывод может находиться в левом нижнем углу или в правом верхнем 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 микросхем 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.

1.7. Функции цифровых устройств

Любое цифровое устройство от самого простейшего до самого сложного всегда действует по одному и тому же принципу (рис. 1.23). 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.

Рис. 1.23. Включение цифрового устройства.

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 осуществлять преобразование выходных аналоговых сигналов датчиков в потоки цифровых кодов (рис. 1.24) 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. 1.24. 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. 1.24) 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 объединяется 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 (то есть программируемой). То есть цифровое устройство может работать по жесткому, раз и навсегда установленному алгоритму или по программируемому алгоритму. 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 медленнее будет цифровое устройство. Речь в данном случае, конечно же, идет о предельно достижимом быстродействии.

Иначе говоря, простые устройства с жесткой логикой работы всегда могут быть сделаны быстрее программируемых, гибких устройств 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 информации. 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.

Дата добавления: 2014-01-07