Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 15 из 17

Преобразователями кодов, в общем случае, называют ус­тройства, предназначенные для преобразования одного кода в другой, при этом часто они выполняют нестандар­тные преобразования кодов. Преобразователи кодов обо­значают через X/Y.

Рассмотрим особенности реализации преобразователя на примере преобразователя трехэлементного кода в пя-тиэлементный. Допустим, что необходимо реализовать таблицу соответствия кодов, приведенную на рис. 3.39. Здесь через N обозначено десятичное число, соответствующее входному двоичному коду. Преобразователи кодов часто создают по схеме дешифратор — шифратор. Дешиф­ратор преобразует входной код в некоторое десятичное число, а затем шифратор формирует выходной код. Схе­ма преобразователя, созданного по такому принципу, при­ведена на рис. 3.40, где использован матричный диодный шифратор. Принцип работы такого преобразователя до­вольно прост. Например, когда на всех входах дешифра-







тора логический «О», то на его выходе 0 появляется логи­ческая «1», что приводит к появлению «1» на выходах у₄и у₅, т. е. реализуется первая строка таблицы соответствия кодов.

Промышленность выпускает большое число шифрато­ров, дешифраторов и преобразователей кодов, таких как дешифратор 4x16 со стробированием (К555ИДЗ), преоб­разователь кода для управления светодиодной матрицей 7x5 (К155ИД8), преобразователь кода для управления шкальным индикатором (К155ИД15) и др.

3.4.2. Мультиплексоры

и демультиплексоры

Мультиплексором называют комбинационное устрой­ство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке циф­ровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Мультиплексоры обозначают через MUX (от англ. multiplexor), а также через MS (от англ. multiplexorselector). Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение од­ного из нескольких входов (их называют информацион­ными) к одному выходу устройства. Кроме информацион­ных входов в мультиплексоре имеются адресные входы и, как правило, разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информа­ционный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов и и числом адресных входов т действует соотношение п = 2^т, то такой мультиплексор на­зывают полным. Если п < 2^т, то мультиплексор называют неполным.

Разрешающие входы используют для расширения фун­кциональных возможностей мультиплексора. Они исполь­зуются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сиг­налы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, т. е. могут блокировать действие всего устройства.

Рассмотрим функционирование двухвходового мульти­плексора (2—>1), который условно изображен в виде ком­мутатора, а состояние его входов Х₁ Х₂ и выхода Y при­ведено в таблице (рис. 3.41). Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:

Y = X₁A+X₂A.

На рис. 3.42 показаны реализация такого устройства и его условное графическое обозначение. Основой данной схемы являются две схемы совпадения на элементах И, ко­торые при логическом уровне «1» на одном из своих вхо­дов повторяют на выходе то, что есть на другом входе.

Если необходимо расширить число входов, то исполь­зуют каскадное включение мультиплексоров. В качестве примера рассмотрим мультиплексор с четырьмя входами (4->1), построенный на основе мультиплексоров (2->1).



Схема и таблица состояний такого мультиплексора при­ведены на рис.3.43.

Мультиплексоры являются универсальными логичес­кими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Муль­типлексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Мультиплексоры часто используют для преобразования



параллельного двоичного кода в последовательный. Для такого преобразования достаточно подать на информаци­онные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой по­следовательности, чтобы к выходу поочередно подключа­лись входы, начиная с первого и кончая последним.

Рассмотрим пример использования мультиплексоров для реализации так называемого комбинационного уст­ройства сдвига, обеспечивающего сдвиг двоичного, числа по разрядам. Принцип функционирования данного уст­ройства понятен из схемы устройства и таблицы состоя­ний его входов и выходов (рис. 3.44).

В обозначении мультиплексоров используют две рус­ские буквы КП, например, промышленностью выпуска­ются такие мультиплексоры, как К155КП1, К531КШ8, К561КПЗ, К555КП17 и др.

Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа, поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противо­положен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Если соотношение между числом выходов п и числом адресных входов т определяется равенством п = 2^т, то такой демультиплексор называется полным, при п < 2^т де-мультиплексор является неполным.

Рассмотрим функционирование демультиплексора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов и выходов приведе­но в таблице (рис. 3.45). Из этой таблицы следует:

Y₁ = X А; Y₂ = X А, т. е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 3.46.



Для наращивания числа выходов демультиплексора используют каскадное включение демультиплексоров. В качестве примера (рис. 3.47) рассмотрим построение де­мультиплексоров с 16 выходами (1->16) на основе демуль­типлексоров с 4 выходами (1->4). При наличии на адрес­ных шинах А₀ и А₁ нулей информационный вход X подключен к верхнему выходу DМХ₀ и в зависимости от состояния адресных шин А₂ и А₃ он может быть подклю­чен к одному из выходов DMX₁ .Так, при А₂ = А₃ = О вход X подключен к Y₀. При А₀ = 1 и А₁ = 0 вход X подключен к DMX₂, в зависимости от состояния А₂ и А₃ вход соеди­няется с одним из выходов Y₄-Y₇ и т.д.
Функции демультиплексоров сходны с функциями де­шифраторов. Дешифратор можно рассматривать как де-мультиплексор, у которого информационный вход под­держивает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демуль­типлексоров используются одинаковые буквы — ИД. Вы­пускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИДЗ, К531ИД7 и др.

При использовании КМОП-технологии можно постро­ить двунаправленные ключи, которые обладают возмож­ностью пропускать ток в обоих направлениях и передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Благодаря этому можно строить мультиплексоры-демультиплек-соры, которые могут использоваться либо как мультиплек­соры, либо как демультиплексоры. Мультиплексоры-демультиплексоры обозначаются через MX. Среди выпускаемых мультиплексоров-демультиплексоров мож­но выделить такие, как К564КП1, К590КП1. Мультиплексоры-демультиплексоры входят в состав серий К176, К561, К591, К1564.

3.4.3. Сумматоры

Сумматоры — это комбинационные устройства, пред­назначенные длясложения чисел. Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим таблицу сложения (таблицу истинности), в которой отра­зим значения входных чисел А и В, значение результата суммирования S и значение переноса в старший разряд Р (см. рис. 3.48).




Работа устройства, реализующего таблицу истинность (рис. 3.48), описывается следующими уравнениями

S= АВ + АВ;Р = АВ . Очевидно, что по отношении: к столбцу S реализуется логическая функция «исключаю­щее ИЛИ», т. е. S = А + В. Устройство, реализующее таб­лицу (рис. 3.48), называют полусумматором, и оно имеет логическую структуру, изображенную на рис. 3.49. Поскольку

полусумматор имеет только два входа, он может использоваться для суммирования лишь в младшем раз­ряде.

При суммировании двух многоразрядных чисел для каждого разряда (кроме младшего) необходимо использо­вать устройство, имеющее дополнительный вход перено­са. Такое устройство (рис. 3.50) называют полным сумма­тором и его можно представить как объединение двух полусумматоров (Р_вх — дополнительный вход переноса). Сумматор обозначают через SM.



3.4.4. Цифровые компараторы

Цифровые компараторы выполняют сравнение двух чисел, заданных в двоичном коде. Они могут определять равенство двух двоичных чисел А и В с одинаковым ко­личеством разрядов либо вид неравенства А>В или А<В. Цифровые компараторы имеют три выхода.

Схема одноразрядного компаратора представляет собой структуру логического элемента «исключающее ИЛИ-НЕ» (рис. 3.51).




Из анализа схемы следует, что если А = В, то F = 1, в противном случае, т. е. при А /=В, F = 0. Если А > В, т. е. А = 1, В = 0, то С = 1, а если А < В, т. е. А = 0, В = 1, то D = l.

Если попарно равны между собой все разряды двух п-разрядных двоичных чисел, то равны и эти два числа А и В. Применяя цифровой компаратор для каждого разряда, например, четырехзначных чисел, и определяя значения F₁, F₂, F₃, F₄ логических переменных на выходах компара­торов, факт равенства А = В установим в случае, когда F = F₁ • F₂ • F₃ • F₄ = 1. Если же F = 0, то А/=В.

Неравенство А > В обеспечивается (для четырехразряд­ного числа) в четырех случаях: или А₄ > В₄, или А₄ = В₄ и А₃ > В₃, или А₄ = В₄, А₃ = В₃ и А₂>В₂, или А₄ = В₄, А₃ = В₃, А₂ = В₂ и A₁ > В₁ (где А₄ и В₄ — старшие разряды чисел А и В). Очевидно, что если поменять местами А₁ и B₁ ,то будет выполняться неравенство А < В.

Цифровые компараторы выпускают, как правило, в виде самостоятельных микросхем. Так, микросхема К564ИП2 (рис. 3.52) является четырехразрядным компа­ратором, в котором каждый из одноразрядных компара­торов аналогичен рассмотренной ранее схеме. Данная микросхема имеет расширяющие входы А<В, А=В, А>В, что позволяет наращивать разрядность обоих чисел. Для этого компараторы соединяют каскадно или параллельно (пирамидально).




Рассмотрим каскадное соединение компараторов К564ИП2 для сравнения двух восьмиразрядных чисел (рис. 3.53). При этом соединении выходы А = В и А < В предыдущей микросхемы (младшие разряды) подключа­ют к соответствующим входам последующей. На входы А<В, А=В, А>В микросхемы младших разрядов пода­ют соответственно потенциалы U⁰, U¹иU¹( U⁰ соответству­ет логическому 0, a U¹— «1»). В последующих микросхе­мах на входах А > В поддерживают потенциал логической единицы U¹.
3.5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

3.5.1. Триггеры

Триггер — простейшее последовательностное устрой­ство, которое может находиться в одном из двух возмож­ных состояний и переходить из одного состояния в дру- гое под воздействием входных сигналов. Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств. Входы триггера разделяют на информационные и управляющие (вспомогательные). Это разделение в зна­чительной степени условно. Информационные входы используются для управления состоянием триггера. Управ­ляющие входы обычно используются для предварительной установки триггера в некоторое состояние и для синхро­низации.

Триггеры могут иметь 2 выхода: прямой Qи инверсный Q.

Триггеры классифицируют по различным признакам, поэтому существует достаточно большое число классифи­каций. К сожалению, эти классификации не образуют стройной системы, но инженеру необходимо их знать.

Триггеры классифицируют по следующим признакам:

• 
  способу приема информации;
  
• 
  принципу построения;
  
• 
  функциональным возможностям.
  

Различают асинхронные и синхронные триггеры.

Асинхронный триггер изменяет свое состояние непос­редственно в момент появления соответствующего инфор­мационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт».

Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (пря­мой вход) или логического нуля (инверсный вход). Дина­мические триггеры воспринимают информационные сиг­налы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вхОд) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двух­тактные). В одноступенчатом триггере имеется одна сту­пень запоминания информации, а в двухступенчатом —две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и по­является на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают через ТТ.

По функциональным возможностям триггеры разделя­ют на следующие классы:

• 
  с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триг-
  геры);
  

• 
  универсальные (JK-триггеры);
  

• 
  с приемом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);
  

• 
  со счетным входом Т (Т-триггеры).
  

Входы триггеров обычно обозначают следующим обра­зом:

S — вход для установки в состояние «1»;

R — вход для установки в состояние «0»;

J — вход для установки в состояние «1» в универсаль­ном триггере;

К — вход для установки в состояние «0» в универсаль­ном триггере;

Т — счетный (общий) вход;

D — вход для установки в состояние «1» или в состоя­ние «0»;

V — дополнительный управляющий вход для разреше­ния приема информации (иногда используют букву Е вме­сто V).

Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализа­цию на логических элементах.

Обратимся к асинхронному RS-триггеру, имеющему условное графическое обозначение, приведенное на рис. 3.54. Триггер имеет два информационных входа: S (от англ. set) и R (от англ. reset).

Закон функционирования триггеров удобно описывать таблицей переходов, которую иногда также называют таб­лицей истинности (рис. 3.55). Через S',R',Q' обозначены

соответствующие логические сигналы, имеющие мес­то в некоторый момент времени t, а черезQ^t+1— выход­ной сигнал в следующий момент времени t+1. Комбина­цию входных сигналов S' =l,R' =1 часто называют запрещенной, так как после нее триггер оказывается в со­стоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозмож­но. Подобных ситуаций нужно избегать.

Рассматриваемый триггер может быть реализован На двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 3.56). Необходимо убедить­ся, что эта схема функционирует в полном соответствии с приведенной выше таблицей переходов.

Микросхема К564ТР2 содержит 4 асинхронных RS-триггера и один управляющий вход (рис. 3.57). При подаче на вход V низкого уровня выходы триггеров отключаются от выводов микросхем и переходят в третье так называе­мое высокоимпедансное состояние. При подаче на вход V логического сигнала «1» триггеры работают в соответствии с вышеприведенной таблицей переходов.
В асинхронном RS-триггере на элементах И-НЕ пере­ключение производится логическим «0», подаваемым на вход Rили S, т. е. реализуется обратная рассмотренной ранее таблица переходов (рис. 3.58). Запрещенная комби­нация соответствует логическим «0» на обоих входах.


Рассмотрим синхронный RS-триггер (рис. 3.59). Если на входе С — логический «0», то и на выходе верхнего входного элемента «И-НЕ», и на выходе нижнего будет логическая «1». А это, как отмечалось выше, обеспечива­ет хранение информации. Таким образом, если на входе С — логический «0», то воздействие на входы R, S не приводит к изменению состояния триггера. Если же на вход синхронизации С подана логическая единица, то схе­ма реагирует на входные сигналы точно так же, как и рас­смотренная ранее (рис. 3.56).

Рассмотрим принцип построения двухступенчатого триггера, который называют также триггером типа MS (от англ. master, slave, что переводят обычно как «ведущий» и «ведомый»). Его упрощенная структурная схема приведе­на на рис. 3.60. В схеме имеются два одноступенчатых триггера (ведущий М и ведомый S) и два электронных ключа (Кл1 и Кл2).






Временная диаграмма сигнала синхронизации, поясня­ющая работу триггера, приведена на рис. 3.61.

Рассмотрим ряд временных интервалов указанной диа­граммы:

• 
  t < t_a — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер подключен к ведущему;
  
• 
  t_a<t<t_b— ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер отключен от ведущего;
  
• 
  t_b<t<t_c — ведущий триггер подключен к информационным входам, ведомый триггер отключен от ведущего. В ведущий триггер записывается информа­ция, поданная на входы;
  
• 
  t_c< t< t_d— ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер отключен от ведущего;
  
• 
  t_d< t— ведущий триггер отключен от информацион­ных входов, ведомый триггер подключен к ведущему, информация из ведущего триггера переписыва­ется в ведомый. Это происходит сразу после момента времени t_dи означает, что фактически двухступенчатый триггер срабатывает при изменении сигнала синхронизации от 1 к 0. При этом выходные сигналы определяются теми входными инфор­мационными сигналами, которые имели место не­посредственно перед отрицательным фронтом сигнала синхронизации.
  

Рассмотрим JK-триггер (от англ. jumpи keep), отлича­ющийся от рассмотренного RS-триггера тем, что появле­ние на обоих информационных входах (J и К) логических единиц (для прямых входов) приводит к изменению состо­яния триггера. Такая комбинация сигналов для Ж-триг-гера не является запрещенной. В остальном JK-триггер подобен RS-триггеру, причем роль входа S играет вход J, а роль входа R — вход К. JK-триггеры реализуют в виде триггеров типа MS или в виде динамических триггеров (т. е. JK-триггеры являются синхронными).

На рис. 3.62 приведено условное графическое обозна­чение двухступенчатого Ж-триггера.




Обратимся к динамическим триггерам. Для них харак­терно блокирование информационных входов в тот мо­мент, когда полученная информация передается на выход. Нужно отметить, что в отношении реакции на входные сигналы динамический триггер, срабатывающий при из­менении сигнала на входе С от 1 к 0, подобен рассмотрен­ному двухступенчатому триггеру, хотя они отличаются внутренним устройством.

Для прямого динамического С-входа используют обо­значения, приведенные на рис. 3.63, а, а для инверсного динамического С-входа, используют обозначения, приве­денные на рис. 3.63, б.

Рассмотрим D-триггер (от англ. delay), повторяющий на своем выходе состояние входа. Рассуждая чисто Теоре­тически, D-триггер можно образовать из любых RS- или



JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы (рис. 3.64).

Хранение информации в D-триггерах обеспечивается за счет синхронизации, поэтому все реальные D-тригге-ры имеют два входа: информационный D и синхрониза-




ции С. В этом триггере сигнал на входе по сигналу син­хронизации записывается и передается на выход. Так как информация на выходе остается неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называ­ют также триггером с запоминанием информации или триггером-защелкой.

Условное графическое обозначение D-триггера приве­дено на рис. 3.65.

Рассмотрим Т-триггер, который изменяет свое логичес­кое состояние на противоположное по каждому активно­му сигналу на информационном входе Т. Условное графическое

обозначение двухступенчатого Т-триггера приведе­но на рис. 3.66.

3.5.2. Счетчики импульсов

Счетчик импульсов — это последовательностное циф­ровое устройство, обеспечивающее хранение слова инфор­мации и выполнение над ним микрооперации счета, за­ключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчита­но счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счетчики классифицируют:

по модулю счета:

• 
  двоично-десятичные;
  
• 
  двоичные;
  
• 
  с произвольным постоянным модулем счета;
  
• 
  с переменным модулем счета;
  по направлению счета:
  
• 
  суммирующие;
  
• 
  вычитающие;
  
• 
  реверсивные;
  

по способу формирования внутренних связей:

• с последовательным переносом;

• 
  с параллельным переносом;
  
• 
  с комбинированным переносом;
  
• 
  кольцевые.
  

Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 3.67, а). Такой счетчик построен на четырех JK-триггерах, которые при наличии на обоих входах логического сигнала «1» пере­ключаются в моменты появления на входах синхрониза­ции отрицательных перепадов напряжения.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счет­чика, приведены на рис. 3.67, б. Через К_си обозначен мо­дуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние ле­вого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого — старшему разряду. В исходном состоя­нии на всех триггерах установлены логические нули. Каж­дый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент,



когда на него действует отрицательный перепад напряже­ния. Таким образом, данный счетчик реализует суммиро­вание входных импульсов. Из временных диаграмм вид­но, что частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т. е. каждый триггер делит час­тоту входного сигнала на два, что и используется в дели­телях частоты.

Рассмотрим трехразрядный вычитающий счетчик с последовательным переносом, схема и временные диаг­раммы работы которого приведены на рис. 3.68. В счет­чике используются три JK-триггера, каждый из которых работает в режиме Т-триггера (триггера со счетным вхо­дом). На входы J и К каждого триггера поданы логичес­кие 1, поэтому по приходу заднего фронта импульса,



подаваемого на его вход синхронизации С, каждый триггер изменяет предыдущее состояние. Вначале сигналы на вы­ходах всех триггеров равны 1. Это соответствует хранению в счетчике двоичного числа 111 или десятичного числа 7. После окончания первого импульса Fпервый триггер из­меняет состояние: сигнал Q₁ станет равным 0, a Q₁— 1.

Остальные триггеры при этом свое состояние не изменя­ют. После окончания второго импульса синхронизации

первый триггер вновь изменяет свое состояние, переходя в состояние 1, {Q_x=0). Это обеспечивает изменение со­стояния второго триггера (второй триггер изменяет состо­яние с некоторой задержкой по отношению к окончанию второго импульса синхронизации, так как для его опро­кидывания необходимо время, соответствующее времени срабатывания его самого и первого триггера). После пер­вого импульса F счетчик хранит состояние ПО. Дальней­шее изменение состояния счетчика происходит аналогич­но изложенному выше. После состояния 000 счетчик вновь переходит в состояние 111.

Рассмотрим трехразрядный самоостанавливающийся вычитающий счетчик с последовательным переносом (рис. 3.69). После перехода счетчика в состояние 000 на выходах всех триггеров возникает сигнал логического 0, который подается через логический элемент ИЛИ на вхо­ды J и К первого триггера, после чего этот триггер выходит






из режима Т-триггера и перестает реагировать на им­пульсы F.

Рассмотрим трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом (рис. 3.70). В режиме вычи­тания входные сигналы должны подаваться на вход Т_в. На вход Т_с при этом подается сигнал логического 0. Пусть все триггеры находятся в состоянии 111. Когда первый сигнал поступает на вход Т_в, на входе Т первого триггера появля­ется логическая 1, и он изменяет свое состояние. После этого на его инверсном входе возникает сигнал логичес­кой 1. При поступлении второго импульса на вход Т_в на входе второго триггера появится логическая 1, поэтому второй триггер изменит свое состояние (первый триггер также изменит свое состояние по приходу второго импуль­са). Дальнейшее изменение состояния происходит анало­гично. В режиме сложения счетчик работает аналогично 4-разрядному суммирующему счетчику. При этом сигнал подается на вход Т_с. На вход Т_в подается логический 0.

В качестве примера рассмотрим микросхемы реверсив­ных счетчиков (рис: 3.71) с параллельным переносом се­рии 155 (ТТЛ):

ИЕ6 — двоично-десятичный реверсивный счетчик;

ИЕ7 — двоичный реверсивный счетчик.

Направление счета определяется тем, на какой вывод (5 или 4) подаются импульсы. Входы 1,9,10, 15 — инфор­мационные, а вход 11 используется для предварительной записи. Эти 5 входов позволяют осуществить предвари­тельную запись в счетчик (предустановку). Для этого нуж­но подать соответствующие данные на информационные входы, а затем подать импульс записи низкого уровня на вход 11, и счетчик запомнит число. Вход 14 — вход уста­новки О при подаче высокого уровня напряжения. Для по­строения счетчиков большей разрядности используются выходы прямого и обратного переноса (выводы 12 и13 со­ответственно). С вывода 12 сигнал должен подаваться на вход прямого счета следующего каскада, а с 13 — на вход обратного счета.
3.5.3. Регистры

Регистр — это последовательностное логическое устрой­ство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинаци­онное цифровое устройство, с помощью которого обеспе­чивается выполнение некоторых операций над словами.

Типичными являются следующие операции:

• 
  прием слова в регистр;
  
• 
  передача слова из регистра;
  
• 
  поразрядные логические операции;
  
• 
  сдвиг слова влево или вправо на заданное число раз­рядов;
  
• 
  преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;
  

• установка регистра в начальное состояние (сброс).

Фактически любое цифровое устройство можно пред­ставить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом при помощи комбинационных цифровых уст­ройств.

Регистры классифицируются по следующим видам:

• 
  накопительные (регистры памяти, хранения);
  
• 
  сдвигающие.
  

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

• по способу ввода-вывода информации на

• 
  параллельные,
  
• 
  последовательные,
  
• 
  комбинированные;
  

• по направлению передачи информации на

• 
  однонаправленные,
  
• 
  реверсивные.
  

Рассмотрим накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации (рис. 3.72). Основой

регистра являются D-триггеры, которые на своих выходах повторяют значения сигналов на входах X₁ —Х₄ (инфор­мационные входы) при логическом сигнале 1 на входе синхронизации (т. е. осуществляется параллельный ввод входной информации в регистр). На четырех двухвходо-вых элементах «И» реализованы схемы совпадения, вход­ные сигналы которых совпадают с выходными сигналами триггеров в том случае, когда йа вход Y₂ подана логичес­кая единица. Таким образом осуществляется параллель­ный вывод информации.

В качестве примера рассмотрим микросхему регистра К155ИР15. Приведем условное обозначение и таблицы внутренних и выходных состояний (рис. 3.73).

На рис. 3.74 представлен сдвигающий регистр. В исход­ном состоянии на выходах всех триггеров логический сиг­нал «О». При подаче логического сигнала «1» младшего разряда числа на вход 1 -го триггера он запоминается в нем в момент действия положительного перепада тактового импульса. Состояние же остальных триггеров не меняет­ся, так как на их входах были логические сигналы «0». Во время второго тактового импульса на входе первого триггера



действует логический сигнал «0», на входе второго триггера — логический сигнал «1», на входе третьего и чет­вертого — логические сигналы «0». Эти сигналы запоми­наются триггерами, на входе которых они действовали, т. е. осуществляется сдвиг единицы вправо и т. д. Таким образом, за четыре такта осуществляется последователь­ный ввод в регистр 4-разрядного двоичного числа.

В качестве примера приведем микросхему сдвигающе­го регистра К155ИР13 и его таблицу состояний (рис. 3.75).
3.6. ЦИФРОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЙ УСТРОЙСТВА

3.6.1. Общая характеристика устройств

Цифровыми запоминающими называют устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом коде. Запоми­нающие устройства (ЗУ) классифицируют по назначению, технологии изготовления, способу адресации, способу хранения информации и т.д. По назначению запоминаю­щие устройства подразделяют на оперативные запомина­ющие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). ОЗУ обеспечивает режим записи, хра­нения и считывания информации в процессе ее обработ­ки. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

По технологии изготовления ЗУ делятся на биполяр­ные (ТТЛ-,ТТЛШ-, ЭСЛ-, И²Л-технологии) и униполяр­ные (n-МОП, КМОП- и другие технологии).

По способу адресации все ЗУ делятся на адресные и безадресные (ассоциативные). В адресных ЗУ обращение к элементам памяти производится в соответствии с их ад­ресом, задаваемым двоичным кодом. Большинство ЗУ являются адресными. В ассоциативных ЗУ считывание информации осуществляется по ее содержанию и не за­висит от физических координат элементов памяти. Ассо­циативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов.

К основным параметрам ЗУ относятся информацион­ная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации, быстродействие и др.

Информационная емкость определяется числом ячеек памяти ЗУ и указывает максимальный объем хранимой информации. Если ЗУ рассчитано на хранение п чисел (слов), каждое из которых имеет от разрядов, то информационная емкость N определяется выражением N = п • т. Так, например, если ЗУ предназначено для хранения 16 слов, каждое из которых содержит 4 разряда, то ЗУ имеет структурную организацию 16 х 4 и информационную ем­кость N=16x4 = 64 бит. ЗУ емкостью 64 бит может быть организовано и как ЗУ 32 х 2 (32 слова по 2 разряда каж­дое). Емкость часто выражают в байтах (1 байт = 8 бит). Емкость ЗУ составляет от нескольких десятков до не­скольких миллионов бит.

Потребляемая мощность — мощность, потребляемая ЗУ в установившемся режиме работы.

Время хранения информации — интервал времени, в течение которого ЗУ сохраняет информацию в заданном режиме.

Быстродействие — промежуток времени, необходимый для записи или считывания информации.

Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопи­тель), которая состоит из п строк. Каждая строка имеет т ячеек памяти, образующих m.-разрядное слово. Соответ­ствующие шины в матрице памяти управляются от де­шифраторов строк и столбцов. Выбор требуемой ячейки памяти осуществляется с помощью дешифраторов строк и столбцов путем подачи на них соответствующих адрес­ных сигналов.

3.6.2. Оперативные запоминающие устройства

ОЗУ (их обозначают английской аббревиатурой RAM) подразделяются на статические и динамические. В стати­ческих ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой триггер на биполярных или полевых транзисторах, что оп­ределяет потенциальный характер управляющих сигналов и возможность считывания информации без ее разрушения. В динамических ОЗУ элементом памяти является ем­кость (например, затвора полевого транзистора), что тре­бует периодического восстановления (регенерации) запи­санной информации в процессе ее хранения.

ОЗУ динамического типа позволяют реализовать боль­шой объем памяти, но они сложнее в использовании, так как необходимо наличие специальной схемы управления режимами работы. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы регенерации и синхрониза­ции. Такие ОЗУ по внешним сигналам управления не от­личаются от статических ОЗУ.

Рассмотрим в качестве примера некоторые микросхе­мы ОЗУ (рис. 3.76).



Выводы микросхем имеют следующие назначения: CS — выбор микросхемы, А_i — адресные входы, DI_i — ин­формационные входы, DO_i — информационные выходы, W/R — разрешение записи/считывания, RAS — строб ад­реса строки, CAS — строб адреса столбца, СЕ — сигнал разрешения.

Микросхема К155РУ2 — это статическое ОЗУ с откры­тым коллекторным выходом — выполнена на основе ТТЛ-структур емкостью 64 бит. Имеет структуру 16x4, т. е. мо­жет хранить 16 слов длиной 4 разряда каждое.

Микросхема К537РУ8 — это статическое ОЗУ объемом 2 Кбайта, выполнена на основе структур КМОП, по вхо­ду и выходу совместима с ТТЛ-структурами. Имеет дву­направленную 8-разрядную шину данных, которая ис­пользуется и для записи, и для считывания информации.

Микросхема К565РУ5 — это динамическое ОЗУ на ос­нове n-МОП-структур, по входам и выходам совместима с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64Кх1. Шина ад­реса работает в мультиплексном режиме. Вначале на ней выставляются адреса строк, которые запоминаются во внутреннем регистре по спаду сигнала RAS. Затем выстав­ляются адреса столбцов, которые запоминаются по спаду сигнала CAS.

3.6.3. Постоянные запоминающие устройства

Все ПЗУ можно разделить на следующие группы:

• 
  программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);
  
• 
  с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние матрицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначают как ППЗУ или PROM);
  
• 
  перепрограммируемые (репрограммируемые), с воз­можностью многократного электрического перепрограммирования, с электрическим или ультрафи­олетовым стиранием информации (обозначают как РПЗУ или RPROM).
  

Для обеспечения возможности объединения по выхо­ду при наращивании памяти все ПЗУ имеют выходы с тре­мя состояниями или открытые коллекторные выходы.

В ППЗУ накопитель построен на запоминающих ячей­ках с плавкими перемычками, изготовленными из нихро­ма или других тугоплавких материалов. Процесс записи состоит в избирательном пережигании плавких перемычек.

В РПЗУ запоминающие ячейки строятся на основе МОП-технологий. Используются различные физические явления хранения заряда на границе между двумя различ­ными диэлектрическими средами или проводящей и ди­электрической средой.

В первом случае диэлектрик под затвором МОП-тран­зистора делают из двух слоев: нитрида кремния и двуоки­си кремния (SiN₄ — SiO₂). Было обнаружено, что в слож­ной структуре SiN₄ — SiO₂ при изменении электрического напряжения возникает гистерезис заряда на границе раз­дела двух слоев, что и позволяет создавать запоминающие ячейки.

Во втором случае основой запоминающей ячейки яв­ляется лавинно-инжекционный МОП-транзистор с пла­вающим затвором (ЛИПЗ МОП). Упрощенная структура такого транзистора приведена на рис. 3.77.



В лавинно-инжекционном транзисторе с плавающим затвором при достаточно большом напряжении на стоке происходит обратимый лавинный пробой диэлектрика, и в область плавающего затвора инжектируются носители заряда. Поскольку плавающий затвор окружен диэлектри­ком, то ток утечки мал и хранение информации обеспе­чивается в течение длительного промежутка времени (де­сятки лет). При подаче напряжения на основной затвор происходит рассасывание заряда за счет туннельного эф­фекта, т. е. стирание информации.

Приведем некоторые характеристики ПЗУ (табл. 3.1).

Таблица 3.1



Промышленность выпускает большое количество мик­росхем ПЗУ. Приведем в качестве примера две микросхе­мы ПЗУ (рис. 3.78). На схемах использованы следующие обозначения: A_i — адресные входы; D_i — информацион­ные выходы; CS — выбор микросхемы; СЕ — разрешение выхода.

Микросхема К573РФ5 — это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее струк­туру 2Кх8. По входу и выходу эта микросхема совмести­ма с ТТЛ-структурами. Микросхема К556РТ5 — это одно-


кратно программируемая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512 бит х 8.