Transcript Цифрлық құрылғының логикалық элементтері

ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Электроника
(кафедра)
Телекоммуникациядағы схемотехника негіздері
(пәні)
Электроника және микропроцессорлық
техника, схемотехника ұғымдары және негізгі
анықтамалары. Цифрлық құрылғының
логикалық элементтері
Дәріс № 1
2 академиялық сағат
Құттыбаева Айнұр Ермеккалиевна
(оқытушы аты-жөні)
[email protected]
(Оқытушы электронды поштасы )
1
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Дәріс мақсаты:
Арнаулы электрондық жүйелерді және алдын ала
белгіленген бір немесе бірнеше есептерді шешугe
бағытталған қатаң және икемді логика
жіктемелерін оқып үйрену.
ГЛОССАРИЙ:
1. __________________________
2. __________________________
…
N. __________________________
2
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Кіріспе
Қазіргі есептеу техникасының дамуымен заманауи радиоэлектроникада тағы екі
глобалды тенденция орын алды.
Біріншіден, кез келген электронды аппараттың функциясы күрделенеді. Оны
эксплуатациялау мақсатында оны оқып білмеген тұтынушының жұмысы
оңайланады.
Екіншіден, электроника адамзат өмірі аясына әсерін көбейтіп жатыр. Оны қажет
емес салаларда да пайдалану байқалып отыр. Осы екі аспектті техниканың
«интеллектуалдығын» күшейту деп айтуға болады.
Бірінші микросхемасын INTEL фирмасы 1971 жылы шығарған, ол 108 кГц тактілік
жиілікте жұмыс істеді, 2300 транзистордан тұрды, 200 доллар тұратын еді.
INTEL Pentium-4 микросхемаcының соңғы модификациясы 87 кв.мм размерлі
жартылай өткізгіштің ішінде 140 млн транзистордан тұрды.
Информатика саласының ірі маманы, академик Е.П.Велихов бір мақаласында
«Кімде-кім компьютер құрай білсе, ол әлемді бағындырады» деп өзінің ойын
білдірген.
Сандық техникалардың құралдары: дербес компьютерлер, өлшеудің
микропроцессорлық жүйелері мен технологиялық процессорлардың
автоматизациясы, цифрлық байланыс, теледидар, тұрмыстық техника және
т.б.
3
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Микропроцессор құрамы әртүрлі қиын микросхемалардан тұратын біртұтас
элементті базадан - қарапайым операциялардан бастап миллион логикалық
элементтерден тұратын қиын бағдарламалық кристалдарды орындайтын
логикалық элементтерден құрылады.
Микропроцессор – бұл бір немесе бірнеше үлкен интегралды схемалар (ҮИС)
(БИС) түрінде жүзеге асырылған функционалды процессор.
Микропроцессорлы топтама – белгілі бір командалар топтамасы көмегімен
жұмысты басқару мүмкіндігіне ие болатын ҮИС жиынтығы.
Микропроцессорлы жүйе өзінің құрылымы бойынша дербес компьютерге ұқсас,
бірақта, ішкі әлеммен беттесу құралдарының жиынтығы және жадысының
көлемі шектеулі. Бір стандартты микропроцессорлық жүйенің бағдарламасын
ауыстыра отырып, оны көптеген құрылғылар мен жүйелерде қолдануға
болады: техникалық процестегі автоматты басқаруда, техникалық
диагностикалар жүйелерінде және күзету жүйелерін қосу арқылы
объектілердің жағдайын бақылауда.
Бағдарламаланатын құрылымды ҮИС-тің негізгі ерекшелігі микросхема
құрылымын өзгерте отырып, бағдарламалы түрде әртүрлі блоктарды қоса
алуында.
4
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Қатаң және икемді логика
Электронды жүйе – бұл кез келген электрондық түйін, блок және кіріс
сигналдарын өңдеп шығыс сигналдарын шығаратын құрылғы (1-сурет).
Қатаң логика
Аналогты сигналдар
Цифрлық сигналдар
Аналогты сигналдар
Электронды жүйе
Цифрлық сигналдар
(өңдеу, сақтау)
Цифрлық кодтар
Цифрлық кодтар
Кіріс және шығыс сигналы ретінде мыналар қолданылады: аналогты
сигналдар, бірлік цифрлық сигналдар, цифрлық кодтар, цифрлық
кодтар тізбегі. Жүйе ішінде сигналдар сақталады, жинақталады
және аналогты-цифрлық түрлендіргіш көмегімен кодтарға
айналады, ал шығыс аналогтық сигналдар цифрлы-аналогтық
түрлендіргіш көмегімен цифрлық кодтар тізбегінен құралады.
5
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Дәстүрлі цифрлық жүйелердің сипаттамалық ерекшеліктері - онда
ақпаратты өңдеу мен сақтау алгоритмі жүйенің
схемотехникасымен байланысты, яғни қойылған есепке белгілі
электрондық схема жасалады және жүзеге асырылады. Есептің
берілген шартын өзгерту оның схемотехникалық шешімін
өзгертуді де талап етеді, яғни жүйенің жұмыс алгоритмін
өзгерту оның құрылымын өзгерту жолымен қарастырылады.
Ондай схемаларды қатаң логикалы схема деп атайды.
Сондықтан қатаң логикалы жүйелер алдын-ала белгілі есептерді
шығаруға бейімделген арнайы электронды жүйелерден тұрады.
Қатаң логикалы жүйелердің жетістігі оның жоғары жылдамдығы,
ондай жүйелердің аппараттық шығындары аз болады, ал
алгоритм орындалу жылдамдығы жеке логикалық элементтер
жылдамдығымен анықталады. Қатаң логикалы цифрлық
жүйелердің кемшілігі есеп шартын өзгерткен жағдайда оны
қайтадан жобалап шығару керек.
6
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Бұл кемшілікті икемді логикалы электронды жүйелер жоя
алады, олар кезкелген есептерге адаптацияланады, бір
алгоритмнен екінші алгоритмге электронды схеманы
өзгертпей-ақ көше алады. Мұндай жүйелерде есеп
шартын өзгерту жүйе жұмыс істеп тұрған бағдарламаны
өзгертуге ғана әсер етеді (2-сурет).
Мұндай жүйе бағдарланатын (немесе
қайтабағдарланатын) деп аталады.
Микропроцессорлық жүйелер икемді логикалық
жүйелерге жатады.
Әдетте, мұндай схемалар көп болса керек, себебі ол жеңіл
де күрделі есептерді шығара алады. Ал күрделі есепті
шығару үшін көптеген аппараттық жабдықтар талап
етіледі.
7
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Икемді логика
Аналогты сигналдар
Цифрлық сигналдар
Цифрлық кодтар
Аналогты сигналдар
Электронды жүйе
(өңдеу, сақтау)
Цифрлық сигналдар
Цифрлық кодтар
Басқаратын бағдарлама
2-сурет. Икемді логикалық электронды жүйе
Қарапайым есепті шығару үшін шығын көп кетеді. Мұндай артықшылық
бір жағынан схема құнының өсуіне әкеліп соғады, екінші жағынан –
жылдамдықты азайтуға әкеледі.
Жоғары аталғандардан мынадай түйін шығаруға болады: шешілетін есеп
жоғары жылдамдықта, ақпаратты өңдеу алгоритмі қарапайым, біршама
уақыт өзгермейтін болса қатаң логикалы жүйелер пайдаланылу керек.
Ақпарат өңдеу алгоритмдері күрделі, жылдамдық онша маңызды емес
болса, шешілетін есеп құрамы жиі ауыстырылатын болса икемді
логикалық жүйелер пайдаланылу керек.
8
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Цифрлық құрылғының логикалық элементтері
Цифрлық ақпараттарды түрлендіру 0 және 1 логикалық айнымалылары
негізінде логикалық ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, ЕМЕС элементтері арқылы жүзеге
асады. Логикалық элементтердің шартты белгілері - орындалатын
операция таңбасы қойылған тіктөртбұрыш, (терістеу операциясының
белгісі дөңгелек түрінде болады) (3-сурет).
3 сурет – Логикалық элементтердің шартты белгілері
Схемаларда 0 және 1 айнымалылары әртүрлі екі кернеу арқылы
кескінделеді: Uo және U1 . Кернеудің екі деңгейінің қайсысы Uo үшін,
қайсысы U1 үшін қабылдау керектігін келісу керек. Оң және теріс логикалар
деген ұғым бар. Оң логикада U1 > Uo, ал теріс логикада U1 < Uо. Ары қарай,
оң логиканы қолданамыз.
9
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Логикалық элементтердің статикалық параметрлері
Статикалық параметрлер дегеніміз логикалық элементтердің (ЛЭ) кірісі мен
шығысында кескінделетін айнымалылар (0 және 1) шекарасында
кескінделетін кернеу мәндері:
1) кірісі бойынша Uкір1min және Uкір0mах.;
2) шығысы бойынша Uшығ1min және Uшығ0max
және ток мәндері:
3) кірісі бойынша Iкір1max және Iкір0mах;
4) шығысы бойынша Iшығ1mах және Iшығ0mах.
Элементтер дұрыс жұмыс жасау үшін логикалық 1 кескіндейтін кернеу мейлінше
жоғары, ал логикалық 0 кескіндейтін кернеу төмен болуы талап етіледі. Бұл
талаптар Uкір1min және Uкір0mах. параметрлеріне қойылады. Осы элементтің
кіріс кернеуі алдыңғы элементтің шығыс кернеуі (сигналдар көзі). Жүктемелік
шарттарды орындағанда сақталатын элемент шығысындағы элементтер
деңгейі Uшығ1min және Uшығ0max параметрлері арқылы беріледі.
10
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Цифрлық элементтердің (ЦЭ) шығыстарының типтері
Цифрлық элементтердің (логикалық, есте сақтау, буферлі) шығыстарының келесі
типтері бар:
- логикалық;
- ашық коллекторлы (сток);
- үшінші жағдайлы;
- ашық эммиттерлі (исток).
Логикалық шығыс.
Логикалық шығыс кернеудің екі деңгейін қалыптастырады (Uо және U1).
Логикалық шығыстың шығыс кедергісі жоғарғы тезәсерлік алу үшін және
сыйымдылықты жүктемені қайта зарядтау үшін үлкен токтарды бөлшектеуге
қабілетті. Шығыстың бұл түрі ішкі схемаларда қолданылады
(дешифраторларда, мультиплексорларда, сумматорларда).
ТТЛ элементтерінің логикалық шығыстарының схемалары екі тактілі каскадтарға
ұқсас – оларда шығыс кернеудің екі фронты активті транзисторлар
қатысуымен қалыптасады, олар шығысты ауыстырудың кез-келген бағытында
аз шығыс кедергісін қамтамасыз ету үшін жұмыс жасайды. (4-сурет).
11
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
4-сурет - Цифрлы элементтің шығыс тізбегінің схемасы
Бұндай шығыстың ерекшелігі, оларды параллель жалғауға болмайтынында. Біріншіден,
шығыстарды байланыстыратын нүктеде логикалық 1 қалыптасады, ал логикалық 0 қалыптасатын
шығыста қалыпты нәтиже болмайды. Екіншіден, шығыс кедергінің шамасы аз болғандықтан,
теңестіруші ток үлкен шамаға ие болуы мүмкін, ол шығыс тізбектің электрлік элементтерін істен
шығаруға әкеп соғады.
Ашық коллекторлы шығыс.
Ашық
коллекторлы
элементтерде
коллекторы
микросхема
ішіндегі
тізбектің
ешқайсысымен жалғанбаған жеке транзистормен аяқталатын шығыс тізбегі бар (5,а суретті
қара). Транзистор элементтің схемасының алдыңғы бөлігінен басқарылады, ол қаныққан немесе
жабық күйде болуы мүмкін. Қаныққан күй логикалық 0 секілді, ал жабық логикалық 1 секілді жол
салады. Транзистордың қанығуы шығыста Uо (қанығудың ең аз кернеуі коллектор-эмиттер"
Uкэқ) кернеуін қамтамасыз етеді. Кернеудің кез-келген деңгейінде транзистордың бекітілуі
элемент шығысында болмайды, осы кезде шығыста белгісіз "өзгермелі" мүмкіндікке ие, ол
элемент схемасының ешқандай тізбегіне жалғанбаған. Сол себепті, жоғарғы деңгейлі кернеуді
қалыптастыру үшін элемент шығысында ашық коллекторда (ОК типті) транзисторды бекіткен
кезде, қорек көзіне қосылған ішкі кедергілерді (немесе басқа жүктемелерді) қосу талап етіледі.
12
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
ОК типті бірнеше шығыстарды барлық шығыстарға ортақ Ucc - R ( 1.5, б суретті
қара) тізбекке қосып, параллель жалғауға болады. Бұл кезде жалпы
тізбекте элементтердің кезектесу жұмыс режимін алуға болады. Егер де
шығыстары қосылған элементтердің активті жұмыс істеуіне рұқсат етілсе,
онда қосымша логикалық операцияларды алуға болады, оны монтажды
логика операциясы деп атауға болады.
5 сурет - ЦЭ ашық коллекторлы шығыс тізбегінің (а) және ЖӘНЕ операциясын
жүзеге асыру (б) схемасы
13
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Монтажды логиканы жүзеге асырғанда ортақ шығыста жоғарғы
кернеу тек барлық транзисторларды бекіткенде ғана пайда
болады, тек олардың біреуінің ғана қанығуы шығыс кернеуін Uo
= Uкэқ деңгейіне дейін төмендете алады. Шығыста логикалық
бірлік алу үшін барлық шығыстардың жекелік күйлері талап
етіледі: ЖӘНЕ операциясы орындалады. Әрбір элемент
өздерінің кіріс айнымалыларымен Шеффер операциясын
орындағандықтан, ортақ нәтиже келесідей болады
Ашық эммиттері бар шығыс
Ашық эмиттерлі шығыс ЭБЛ (эмиттерлі-байланысқан логика) типті
элементтер үшін сипатты. Магистральда жұмыс істеу үшін
бұндай элементтер қолданылмайды. Ашық эмиттерлі
шығыстарды бір-бірімен біріктіру мүмкіндігі эмиттерлі
резисторларды үлкен бір резисторға біріктірген кезде мына
схемаға келтіреді (1.6 суретті қара), ол қосымша монтажды
логикалық схемалар алу үшін қолданылады.
14
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
6 сурет - "Эмиттерлі дот" схемасы (Ашық эммиттері бар шығыс )
15
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
ЭБЛ элементтерінің біреуінде НЕМЕСЕ
функциясы, ал басқасында НЕМЕСЕ-ЕМЕС
функциясы іске асатын фазаға қарсы
элементтері бар. Бірнеше элементтердің тура
шығыстарын байланыстырып кеңейтілген
НЕМЕСЕ алуға болады (байланыстыратын
элементтердің кіріс айнымалылары біртұтас
дизъюнкция қалыптастырады). Терістелген
шығыстарды біріктіріп, кіріс айнымалылар
терістелуіне қатысты ЖӘНЕ-НЕМЕСЕ
операциясын алуға болады, бұл кезде
Тура шығысты терістеумен байланыстырып,
функцияны мына түрде алуға болады:
16
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Бақылау сұрақтары:
1. Қатаң және икемді логика схемалары қалай жұмыс істейді?
2. Микропроцессордың қандай функционалды ерекшеліктерін
білесіз?
3. Жүйелік шина деген не? Оның жылдамдығының
микропроцессорлық жүйедегі бағдарламаларды орындау
жылдамдығына әсері бар ма?
4. Жады жүйелерінің мәні қандай? Енгізу-шығару жүйесі не үшін
қажет?
5. Сыртқы құрылғыларға қандай құрылғылар жатады?
6. МП немесе екішиналы және үш шиналы жүйелі сыртқы
құрылғылар арасындағы ақпарат алмасу жылдам
жүргізіледі? Микропроцессорлық жүйелерде енгізу-шығару
қалай жүзеге асырылады?Микропроцессорлық жүйелерде
тұрақты жадыда қандай мәлімет сақталу керек?
7. Шина жүктемелеу қабілеттілігі дегеніміз не? Шиналарға
микросызбалардың көптеген жиынтығын қосуға болмайды?
17
ҚАЗАҚСТАН
РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ
ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТ РЛІГІ
АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ
Әдебиеттер тізімі
1.
Жолшараева Т.М., Рахимжанова З.М. Микроэлектроника. Шала өткізгішті аспаптар.
050704 – Есептеу техникасы және бағдарламалық қамту, 050702 – Автоматтандыру
және басқару мамандықтары бойынша оқитын студенттерге арналған оқу құралы,
2009.
2.
Жолшараева Т.М., Схемотехника. Учебное пособие для студентов по специальности
5В0704 ВТиПО и для специальности 5В0719 РЭТ, 2010.
3.
Шанаев О.Т. Цифрлық құрылғылар және микропроцессорлар. Оқу құралы, 2009.
4.
Шанаев О.Т. Микропроцессорлық жүйелер. Оқу құралы, 2009.
5.
Шанаев О.Т. Бағдарламалы құрылымдар. Оқу құралы, 2011.
6.
Дегембаева У.К., Шайхин Б.М. Электроника және аналогтық құрылғылардың
схемотехникасы. Оқу құралы 5В0719 – Радиотехника, электроника және
телекоммуникация мамандықтары бойынша оқудың барлық түріндегі студенттер
үшін, 2009.
7.
Дегембаева У.К., Шайхин Б.М. Электроника. 5В0719 – Радиотехника, электроника
және телекоммуникация және 5В0702 – Автоматтандыру және басқару
мамандықтары бойынша оқудың барлық түріндегі студенттер үшін оқу құралы, 2009.
8.
Кондратенко С.В. Основы локальных сетей Интернет-университет информационных
технологий. – ИНТУИТ.ру,2005.– 360 с.
9.
Гук М. Аппаратные средства локальных сетей: Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2000.
10. Новиков.И., Гуржий А.Н., Жуйков В.Я. и др. Схемотехника электронных устройств.
18
Цифровые устройства. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 512 с.