Микроэлектроника
 Скачать 3.37 Mb.
|
|
А. В. Шарапов МИКРОЭЛЕКТРОНИКА  Федеральное агентство по образованию Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники А. В. Шарапов МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Учебное пособиеРекомендовано Сибирским региональным отделением учебно–методического объединения высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия по дисциплине «Микроэлектроника» для студентов специальности 210106.65 «Промышленная электроника» 2007 Рецензенты: зав. кафедрой промышленной и медицинской электроники Томского политехнического университета, д-р техн. наук проф. Г.С. Евтушенко; начальник отдела ФГУП «НПЦ «Полюс», д-р техн. наук Ю.М. Казанцев Шарапов А.В. Микроэлектроника: Уч. пособие. – Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2007 – 138 с. Излагаются принципы построения и функционирования логических элементов, дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, цифровых компараторов, триггеров, счетчиков, регистров, микросхем памяти. Рассмотрены примеры синтеза цифровых устройств комбинационного типа и цифровых автоматов. Пособие предназначено для студентов вузов радиоэлектронного профиля дневной, вечерней и заочной форм обучения, и содержит краткий конспект лекций, примеры решения задач, варианты творческих заданий и компьютерный лабораторный практикум по цифровой схемотехнике. © А.В.Шарапов, 2007 © Томск, гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2007 СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ Электроникойназывают раздел науки и техники, занимающийся: – исследованием физических явлений и разработкой приборов, действие которых основано на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме или газе; – изучением электрических свойств, характеристик и параметров названных приборов; – практическим применением этих приборов в различных устройствах и системах. Первое из указанных направлений составляет область физической электроники. Второе и третье направления составляют область технической электроники. Схемотехника электронных устройств – это инженерное воплощение принципов электроники для практической реализации электронных схем, призванных выполнять конкретные функции генерирования, преобразования и хранения сигналов, несущих информацию в слаботочной электронике и функции преобразования энергии электрического тока в сильноточной электронике. Исторически электроника явилась следствием возникновения и быстрого развития радиотехники. Радиотехнику определяют как область науки и техники, занимающуюся исследованиями, разработкой, изготовлением и применением устройств и систем, предназначенных для передачи информации по радиочастотным каналам связи. У истоков радиотехники лежат научные открытия XIX века: работы М. Фарадея (англ.), выяснившего закономерности взаимодействия электрического и магнитных полей; Дж. Максвелла (англ.), обобщившего элементарные законы электромагнетизма и создавшего систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Дж. Максвелл теоретически предсказал новый вид электромагнитных явлений – электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Г. Герц (нем.) экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн. Первый радиоприемник был изобретен, сконструирован и успешно испытан в 1895 г. А.С. Поповым (рус.). Годом позже радиосвязь осуществил Г. Маркони (итал.), запатентовавший свое изобретение и ставший Нобелевским лауреатом в 1909 году. С этих пор развитие радиотехники определялось развитием ее элементной базы, которая в основном определяется достижениями электроники. Интересно вкратце проследить за основными этапами развития ее элементной базы. Простейший электронный прибор – вакуумный диод – был изобретен Т. Эдиссоном (амер.) в 1883 г., который вмонтировал металлический электрод в баллон электрической лампы накаливания и зарегистрировал ток одного направления во внешней цепи. В 1904 г. Дж. Флемминг (англ.) впервые применил вакуумный диод в качестве детектора в радиоприемнике. Усилительный электровакуумный прибор – триод – был изобретен Луи де Форестом (амер.) в 1906 г. С этих пор в течение первой четверти ХХ столетия в ряде научных лабораторий многих стран мира происходило медленное созревание технологий электровакуумных приборов. В России это направление возглавил руководитель Нижегородской лаборатории М.А. Бонч-Бруевич. Уже в 1922 г. сотрудники этой лаборатории построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию им. Коминтерна мощностью 12 кВт. А к 1927 г. было построено 57 таких станций. В 1925 г. была создана генераторная лампа мощностью 100 кВт. В 1933 г. в России вступила в строй мощнейшая в мире (500 кВт) радиостанция. Первый телевизионный передатчик мощностью 15 кВт введен в строй в Москве в 1948 г. А.И. Берг в 1927-1929 гг. создал классическую теорию передатчиков. В.А. Котельниковым в период с 1933 по 1946 гг. доказана теорема квантования по времени, заложившая основу цифровых методов обработки сигналов, показана возможность радиосвязи на одной боковой полосе и опубликована теория потенциальной помехоустойчивости. Период с 1920 по 1955 гг. был эрой ламповой электроники. Первый полупроводниковый триод – транзистор – создан в 1948 г. Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.). С 1955 г. начинается эра полупроводниковой электроники. Первые интегральные схемы появились в 1960-е годы. Первый микропроцессор датируется 1971 г. В 1998 году транзистор отметил свой полувековой юбилей – в последний июньский день 1948 года американская фирма «Bell telephon laboratoris» продемонстрировала общественности только что изобретенный электронный прибор, о котором назавтра «Нью-Йорк Таймс» сообщила буднично и без пафоса: «Рабочие элементы прибора состоят из двух тонких проволочек, прижатых к кусочку полупроводникового вещества... Вещество усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток. Прибор под названием «транзистор» в некоторых случаях можно использовать вместо электронных ламп». Да, именно так выглядел первый транзистор, и неудивительно, что даже специалисты не сразу смогли разглядеть его триумфальное будущее. А между тем представленный прибор мог усиливать и генерировать электрические сигналы, а также выполнять функцию ключа, по команде открывающего или запирающего электрическую цепь. И, что принципиально важно, все это осуществлялось внутри твердого кристалла, а не в вакууме, как это происходит в электронной лампе. Отсюда следовал целый набор потенциальных достоинств транзистора: малые габариты, механическая прочность, высокая надежность, принципиально неограниченная долговечность. Через три-четыре года, когда были разработаны значительно более совершенные конструкции транзисторов, все эти ожидаемые достоинства начали становиться реальностью. Честь открытия транзисторного эффекта, за которое в 1956 году была присуждена Нобелевская премия по физике, принадлежит У. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну. Характерно, что все трое были блистательными физиками, целенаправленно шедшими к этому открытию. Шокли, руководитель группы исследователей, еще в предвоенные годы читал лекции по квантовой теории полупроводников и подготовил фундаментальную монографию, которая надолго стала настольной книгой для специалистов в этой области. Высочайшая квалификация Бардина как физика-теоретика подтверждена не только изобретением транзистора и предсказанием ряда эффектов в поведении полупроводников, но и тем, что позднее, в 1972 году, совместно с двумя другими исследователями он был повторно удостоен Нобелевской премии – теперь за создание теории сверхпроводимости. Браттейн, самый старший в группе, к моменту изобретения транзистора имел за плечами пятнадцатилетний опыт исследования поверхностных свойств полупроводников. Хотя само открытие транзисторного эффекта явилось до некоторой степени счастливой случайностью (говоря сегодняшним языком, они пытались изготовить полевой транзистор, а изготовили биполярный), теоретическая подготовка исследователей позволила им практически мгновенно осознать открытое и предсказать целый ряд гораздо более совершенных устройств. Иными словами, создание транзистора оказалось под силу лишь физикам, которые по необходимости владели еще и минимумом изобретательских навыков. У нас в стране транзистор был воспроизведен в 1949 году во фрязинской лаборатории, возглавляемой А.В. Красиловым, крупным ученым, обладающим широчайшей эрудицией. Первые транзисторы изготавливались на основе полупроводника германия идопускали рабочую температуру лишь до 70°С, а этого во многих прикладных задачах было недостаточно. Во второй половине пятидесятых годов в развитии транзисторов произошел решающий качественный скачок: вместо германия стали использовать другой полупроводник – кремний. В итоге рабочая температура транзисторов выросла до 120-150°С, при этом их характеристики сохраняли высокую стабильность, а срок службы приборов стал практически бесконечным. Но, пожалуй, главное заключалось в том, что в 1959 году американской фирмой «Firechild» применительно к кремнию была разработана так называемая планарная технология. Принципиальным здесь было то, что тончайшая пленка диоксида кремния, выращенная при высокой температуре на поверхности кристалла, надежно защищает кремний от агрессивных воздействий и является отличным изолятором. В этой пленке создают «окна», через которые, также при высокой температуре, в полупроводник вводят легирующие добавки – так изготавливаются фрагменты будущего прибора. Затем на изолированную от объема поверхность напыляют тонкопленочные алюминиевые токоподводы к активным зонам – и транзистор готов. Особенностями процесса является то, что все воздействия на пластину осуществляются в одной плоскости и что обеспечивается одновременная обработка тысяч и миллионов транзисторов на пластине, а это ведет к высочайшей степени воспроизводимости изделий и высокой производительности. Методами планарной технологии легко обеспечить изоляцию транзисторов от подложки и друг от друга, а отсюда лишь шаг до создания интегральной схемы (микросхемы),т.е. создания электронной схемы с активными и пассивными компонентами и их соединениями на едином кристалле в едином технологическом процессе.Этот шаг был сделан в том же 1959 году. Мир вступил в эру микроэлектроники. Типичная микросхема представляет собой кремниевый кристаллик (чип), в приповерхностной области которого изготовлено множество транзисторов, соединенных между собой пленочными алюминиевыми дорожками в заданную электрическую схему. В первой микросхеме «множество» состояло всего лишь из 12 транзисторов, но уже через два года уровень интеграции превысил 100 элементов на чипе, а к середине 60-х годов стали доминировать большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов, затем – сверхбольшие (СБИС) и т.д. Микросхема обладает тем большей информационной мощностью, чем большее количество транзисторов она содержит, т.е. чем выше плотность интеграции (плотность упаковки активных элементов в кристалле). А она определяется минимальными размерами активного элемента и площадью кристалла, которые способна воспроизводить технология. Изложенные в данном учебном пособии основы цифровой схемотехники формируют схемотехнические навыки построения цифровых устройств на базе интегральных микросхем. Изучается принцип работы простейших логических элементов и методы проектирования на их основе преобразователей кодов, сумматоров, цифровых коммутаторов, триггеров, регистров, счетчиков, микросхем памяти. Проверить работу многих устройств можно путем компьютерного моделирования с помощью пакетов Electronics Workbench или Asimec. Рекомендуемый список литературы включает прежде всего справочники по цифровым интегральным микросхемам. Из других источников, используемых в данном учебном пособии, хочется отметить работы доцентов ТУСУРа Потехина В.А. [12] и Шибаева А.А. [6], которым автор выражает искреннюю благодарность. 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 2.1. Виды сигналов Назначение радиоэлектронных устройств, как известно, – получение, преобразование, передача и хранение информации, представленной в форме электрических сигналов. Сигналы, действующие в электронных устройствах, и соответственно сами устройства делят на две большие группы: аналоговые и цифровые. А  налоговый сигнал – сигнал, непрерывный по уровню и во времени, т.е. такой сигнал существует в любой момент времени и может принимать любой уровень из заданного диапазона. Квантованный сигнал – сигнал, который может принимать только определенные квантованные значения, соответствующие уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями – шаг квантования. Дискретизированный сигнал сигнал, значения которого заданы только в моменты времени, называемые моментами дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации – шаг дискретизации  . При постоянном применима теорема Котельникова:  , где  – верхняя граничная частота спектра сигнала.Цифровой сигнал сигнал, квантованный по уровню и дискретизированный во времени. Квантованные значения цифрового сигнала обычно кодируются некоторым кодом, при этом каждый выделенный в процессе дискретизации отсчет заменяется соответствующим кодовым словом, символы которого имеют два значения – 0 и 1. Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам, – минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы. Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых. Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет. Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). При всем многообразии задач, решаемых устройствами цифровой электроники, их функционирование происходит в системах счисления, оперирующих всего двумя цифрами: нуль (0) и единица (1). Работа цифровых устройств обычно тактируется достаточно высокочастотным генератором тактовых импульсов. В течение одного такта реализуется простейшая микрооперация – чтение, сдвиг, логическая команда и т.п. Информация представляется в виде цифрового слова. Для передачи слов используется два способа – параллельный и последовательный. Последовательное кодирование применяется при обмене информацией между цифровыми устройствами (например, в компьютерных сетях, модемной связи). Обработка информации в цифровых устройствах реализуется при использовании параллельного кодирования информации, обеспечивающего максимальное быстродействие. Элементную базу для построения цифровых устройств составляют интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов – простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции. 2.2. Классификация микросхем и их условные обозначения Промышленностью выпускается широкая номенклатура интегральных микросхем различной степени интеграции. Кроме деления ИМС в зависимости от технологии изготовления (пленочные, гибридные, монолитные), ИМС делят на цифровые и аналоговые. Цифровые ИМС оперируют с напряжениями, принимающими только два возможных значения – логического нуля и логической единицы. Аналоговые ИМС могут работать с напряжениями, непрерывными по времени и значению. В зависимости от степени интеграции цифровые ИМС либо выполняют отдельные логические операции (например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ), либо образуют целые узлы цифровых устройств (счетчики, регистры, микросхемы памяти, процессоры и т.д.). Аналоговые ИМС (операционные усилители, компараторы напряжений, таймеры, стабилизаторы постоянного напряжения) выполняют разнообразные функции: усиление сигналов, генерирование колебаний различной формы, модуляцию и демодуляцию сигналов и много других преобразований. Микросхемы, предназначенные для цифроаналогового (ЦАП) и аналого-цифрового преобразования сигналов (АЦП), относят к числу аналоговых. Н  а функциональной схеме цифрового электронного термометра (диапазон температур от 0 до 400оС) к аналоговой части устройства относятся усилитель постоянного тока (УПТ) и 12-разрядный АЦП, к цифровой – преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный (X/Y) и дешифратор DC, преобразующий этот код в код управления четырьмя цифровыми семисегментными индикаторами (рис. 2.2). Стандартами установлена система условных обозначений микросхем. Большинство ИМС объединено в серии, которые включают ряд различных ИМС, согласованных по напряжению источников питания, уровням входных и выходных сигналов, входным и выходным сопротивлениям и конструктивно-технологическим особенностям. Серию стремятся разрабатывать так, чтобы из микросхем, входящих в нее, можно было создать законченные электронные устройства, хотя допускается использование в одном устройстве ИМС различных серий. В принятой системе обозначений выпускаемые отечественной промышленностью ИМС делятся по конструктивно-технологическому исполнению на три группы: а) 1, 5, 6, 7 – полупроводниковые (монолитные); б) 2, 4, 8 – гибридные; в) 3 – прочие (пленочные, керамические и др.). Условное обозначение серии ИМС состоит из двух элементов: первый – цифра, обозначающая конструктивно-технологическую группу; второй – двух- или трехзначное число, указывающее порядковый номер серии. Например, серия, обозначенная числом 1533, принадлежит к полупроводниковым ИМС с порядковым номером серии 533. По характеру выполняемых функций ИМС подразделяют на подгруппы: генераторы, усилители, триггеры, модуляторы и т.д. В свою очередь подгруппы делятся на виды. Например, подгруппа «Схемы цифровых устройств» включает в себя следующие виды ИМС: регистры, сумматоры, счетчики импульсов, дешифраторы и др. Обозначения подгрупп и видов стандартизованы. Например, буквы ИР в условном обозначении ИМС будут обозначать, что эта ИМС из подгруппы «Схемы цифровых устройств» относится к виду «регистры». В табл. 2.1 приведена неполная классификация видов ИМС. Условное обозначение микросхемы состоит из трех- или четырехзначного обозначения серии микросхем, двух букв, означающих подгруппу и вид микросхемы, и порядкового номера разработки микросхемы. Буквы (необязательные) К, КМ, КН, КР, и КА, стоящие в начале условного обозначения микросхемы, характеризуют условия ее приемки на заводе-изготовителе, причем буква К означает микросхемы широкого применения. Для характеристики материала и типа корпуса перед цифровым обозначением серии могут быть добавлены следующие буквы: Р – пластмассовый корпус типа ДИП (корпус с прямоугольными выводами, перпендикулярными плоскости основания корпуса и выходящими за пределы проекции тела корпуса на плоскость основания); Таблица 2.1 Условные обозначения микросхем
А – пластмассовый планарный корпус (прямоугольный корпус с выводами, расположенными параллельно плоскости основания и выходящими за пределы проекции его тела на плоскость основания); М – металлокерамический корпус типа ДИП; Е – металлополимерный корпус типа ДИП; С – стеклокерамический корпус типа ДИП; И – стеклокерамический планарный корпус; Н – керамический «безвыводной» корпус. В условных обозначениях микросхем, выпускаемых в бескорпусном варианте, перед номером серии добавляют букву Б. Таким образом, бескорпусные аналоги обычной серии 155 обозначаются Б155. П  ример расшифровки обозначения микросхемы КР1533ТМ2 показан на рис. 2.3. Если принципиальные схемы электронных устройств, использующих ИМС, выполнять, полностью отображая их внутреннюю структуру с помощью условных графических обозначений (УГО) составляющих компонентов, то схема получится очень громоздкой и не наглядной. Отображение на принципиальной схеме внутренней структуры ИМС становится своего рода избыточной информацией, затрудняющей составление и чтение схем. Разработчику электронной аппаратуры важно знать, из каких функциональных узлов можно создать то или иное устройство, а внутренняя структура узла зачастую его просто не интересует. Этим объясняется тот факт, что при составлении принципиальных схем цифровых и аналоговых устройств пользуются только обобщенными символами функциональных узлов. УГО элементов (узлов) аналоговой и цифровой техники строят на основе прямоугольника. В самом общем виде УГО может содержать основное и два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного (рис. 2.4). Размер прямоугольника по ширине зависит от наличия дополнительных полей и числа помещенных в них знаков, по высоте – от числа выводов, интервалов между ними и числа строк информации в основном и дополнительных полях. В основном поле указывают функциональное назначение элемента, а в дополнительных – метки, обозначающие функции или назначение выводов. В местах присоединения линий-выводов изображают специальные знаки (указатели), характеризующие их особые свойства (инверсные, динамические и т.д.). Группы выводов могут быть разделены увеличенным интервалом или помещены в обособленную зону. Согласно стандарту, ширина основного поля должна быть не менее 10 мм, дополнительных – не менее 5 мм, расстояние между выводами – 5 мм.  Выводы элементов схемы делятся на входы, выходы, двунаправленные выводы (служат как для ввода, так и для вывода информации) и выводы, не несущие информации (например, для подключения питания, внешних RC-цепей и т.п.). Входы изображают слева, выходы – справа, остальные выводы – с любой стороны УГО. При необходимости разрешается поворачивать обозначение на угол 90 по часовой стрелке, т.е. располагать входы сверху, а выходы снизу. Функциональное назначение элемента указывают в верхней части основного поля УГО. Его составляют из прописных букв латинского алфавита, арабских цифр и специальных знаков, записываемых без пробелов. Примеры обозначений основных функций приведены в табл. 2.2. Сложные функции образуют из простых, располагая их в последовательности обработки сигнала. Назначение выводов указывают метками, помещаемыми напротив них в дополнительных полях. Как и обозначения функций элементов, они могут состоять из букв латинского алфавита, арабских цифр и специальных знаков. Например, вывод установки ИМС в состояние «1» обозначается как S (Set), а сброс схемы в нулевое состояние – как R (Reset). Таблица 2.2 Примеры функциональных обозначений ИС
Выводы ИМС могут быть помечены указателями, определяющими их статические и динамические свойства. Указатели проставляют на линии контура УГО или на линии связи около линии контура УГО со стороны линии вывода. Прямые статические выводы изображают линиями, присоединенными к основному или дополнительным полям УГО без каких-либо знаков, инверсные – в виде кружка на конце. Отличительный признак динамического вывода – указатель в виде косой черточки, стрелки или треугольника. Выводы, не несущие логической информации, выделяют крестиком, который наносят либо в месте присоединения к УГО (рис. 2.4), либо в непосредственной близости от него. По функциональному назначению в цифровых ИМС выделяют следующие устройства. Логические элементы – это ИМС, реализующие базовые логические функции НЕ, И, ИЛИ и их комбинации И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. Часть ЛЭ, помимо логических операций, выполняет функции усилителей мощности. Драйверы. Драйверами принято считать ИМС с повышенной нагрузочной способностью, основным назначением которых является организация связи с периферийными устройствами. Шифраторы. Назначение шифратора – преобразование входного унитарного кода в натуральный двоичный. Дешифраторы выполняют функции обратные шифраторам, т.е. преобразуют двоичный код в унитарный. К специальным дешифраторам относятся преобразователи двоичного кода в коды управления знакосинтезирующими индикаторами. Мультиплексоры направляют один из m входных сигналов на один выход. Демультиплексоры решают обратную задачу – направляют один входной сигнал в один из m выходных каналов. Арифметическими устройствами являются сумматоры двоичных чисел, умножители двоичных чисел, АЛУ – арифметическо-логические устройства, схемы контроля четности, преобразователи двоичных кодов, цифровые компараторы (устройства сравнения двоичных чисел). Триггеры – устройства, служащие для запоминания логических состояний. Регистры. Регистром называется триггерная линейка, служащая для записи, хранения, сдвига и вывода информации. Счетчики числа импульсов – суммирующие, вычитающие, реверсивные. Счетчики могут выполнять роль программируемых делителей частоты. Релаксационные устройства – типа мультивибраторов и одновибраторов. Запоминающиеустройства предназначены для записи, хранения и выдачи информации. Степень интеграции (показатель сложности) ИС оценивается числом элементов, размещенных на одном кристалле или подложке: малая интегральная схема (МИС) –…………………………. до 100; средняя интегральная схема (СИС) –…………………….. 101 –1000; большая интегральная схема (БИС) – ………………….1001 – 10000; сверхбольшая интегральная схема (СБИС) – ………..свыше 100000. Все цифровые устройства можно отнести к одному из двух основных классов: комбинационные (без памяти) и последовательностные (с памятью). Комбинационными называют устройства, состояние выходов которых в любой момент времени однозначно определяется значениями входных переменных в тот же момент времени. Это логические элементы, преобразователи кодов (в том числе шифраторы и дешифраторы), распределители кодов (мультиплексоры и демультиплексоры), компараторы кодов, арифметико-логические устройства (сумматоры, вычитатели, умножители, собственно АЛУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), программируемые логические матрицы (ПЛМ). Выходное состояние последовательностного цифрового устройства (конечного автомата) в данный момент времени определяется не только логическими переменными на его входах, но еще зависит и от порядка (последовательности) их поступления в предыдущие моменты времени. Иными словами, конечные автоматы должны обязательно содержать элементы памяти, отражающие всю предысторию поступления логических сигналов, и выполняются на триггерах, в то время как комбинационные цифровые устройства могут быть целиком построены только на логических элементах. К числу цифровых устройств последовательностного типа относят триггеры, регистры, счетчики, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), микропроцессорные устройства (микропроцессоры и микроконтроллеры). Пример 2.1.В приведенном списке ИМС указать: а) цифровые интегральные микросхемы комбинационного типа; б) микросхемы, выполненные по гибридной технологии; в) цифровые интегральные микросхемы последовательностного типа.
Решение. К числу комбинационных ИМС в приведенном списке относятся логический элемент К133ЛА3, мультиплексор К155КП7, сумматор К564 ИМ3, постоянное запоминающее устройство К556РТ5. По гибридной технологии выполнена микросхема цифроаналогового преобразователя К252ПА1, номер серии которой начинается с цифры 2. К числу последовательностных ИМС относятся триггер К561ТМ2, регистр К555ИР1, счетчик К1533ИЕ6, оперативное запоминающее устройство К537РУ8. Кроме перечисленных микросхем в данном списке приведены операционный усилитель К140УД6, стабилизатор напряжения К142ЕН5, набор резисторов 301НР1А, которые относятся к аналоговым ИМС, причем последняя микросхема выполнена по пленочной технологии (номер серии начинается с цифры 3). 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 3.1. Позиционные системы счисления Системой счисления называют способ изображения произвольного числа ограниченным набором символов, называемых цифрами. Номер позиции, определяющий вес, с которым данная цифра складывается в числе, называют разрядом, а системы счисления, обладающие отмеченным свойством, – позиционными. В общем случае n-разрядное положительное число N в произвольной системе счисления с основанием р представляется суммой вида  (3.1)где ak - отдельные цифры в записи числа, значения которых равны членам натурального ряда в диапазоне от 0 до (р – 1). При выполнении вычислений цифровыми электронными устройствами используются элементы с двумя устойчивыми состояниями. По этой причине в цифровой технике широкое распространение получила позиционная двоичная система счисления (с основанием 2). В каждом двоичном разряде, получившем название бит, может стоять 1 или 0. Сама же запись числа (двоичный код) представляет собой последовательность из единиц и нулей. Чтобы отличить двоичное число от десятичного, будем дополнять его справа суффиксом В (Binary), как это принято в специальных машинно-ориентированных языках программирования, называемых ассемблерами. Веса соседних разрядов двоичного кода числа отличаются в два раза, а самый правый разряд (младший) имеет вес 1. Поэтому, например 101101В = 1.25 + 0.24 + 1.23 +1.22 + 0.21 + 1.20 = 45. Четыре соседних бита называют тетрадой, группу из 8 бит называют байтом, а из 16 бит – машинным словом. Совокупность из 1024 (210) байт называют килобайтом, из 1024 килобайт – мегабайтом, из 1024 мегабайт – гигабайтом. 1 Гбайт = 210 Мбайт = 220 Кбайт = 230 байт. Современные персональные ЭВМ могут хранить в своей памяти на жестких магнитных дисках цифровую информацию объемом в десятки гигабайт. Арифметические операции в двоичной системе счисления исключительно просты и легко реализуются аппаратно. Однако при вводе и выводе информации в цифровое устройство она должна быть представлена в более привычной для человека десятичной системе счисления. Стремление упростить процедуру пересчета двоичных чисел к десятичному эквиваленту привело к использованию двоично-десятичной системы счисления(BD – Binary Decimals). Она используется в ЭВМ не только в качестве вспомогательной системы счисления при вводе и выводе данных, но и в качестве основной при решении задач, когда в ЭВМ вводится и выводится большое количество чисел, а вычислений над ними производится мало. Десятичные числа в двоично-десятичной системе счисления кодируются в прямом нормально-взвешенном коде 8-4-2-1, т.е. каждую цифру десятичного числа необходимо заменить соответствующей тетрадой двоичных чисел. Например, десятичное число 9531 в двоично-десятичном коде представляется машинным словом из четырех тетрад 9531 = 1001 0101 0011 0001. Записывать двоичные числа большой разрядности утомительно. Поэтому, как правило, они представляются более компактными записями с использованием шестнадцатеричной системы счисления. В этой системе используют первые десять членов натурального ряда от 0 до 9, а в качестве остальных цифр – первые шесть латинских букв A = 10, B = 11, C = 12, D = 13, E = 14, F = 15. Справа шестнадцатеричное число будем дополнять суффиксом Н(Hexadecimal). Таблица 3.1 Соответствие чисел различных систем счисления
Перевод двоичного числа в число системы с основанием 16 и наоборот не вызывает затруднений. Для этого исходное двоичное число справа налево разбивается на тетрады, а затем содержимое каждой из них рассматривается как двоичный код соответствующей цифры шестнадцатеричной системы. Для обратного перехода каждую цифру шестнадцатеричного числа заменяют тетрадой двоичного кода, например: N = 8B5FH = 1000 1011 0101 1111 B. Для перевода целого числа Np, представленного в системе счисления с основанием р, в систему счисления с основанием q необходимо данное число делить на основание q (по правилам системы с основанием р) до получения целого остатка, меньшего q. Полученное частное снова необходимо разделить на основание q и т.д., пока последнее частное не станет меньше q. Число Nq в новой системе счисления представится в виде упорядоченной последовательности остатков в порядке, обратном их получению. Причем цифру старшего разряда дает последнее частное. Пример 3.1. Перевести десятичное число 15710 в двоичный код, результат проверить.
Проверка: 100111012 = 127 + 026 + 025 +124 + 123 + 122 + 021 + 120 = = 128 + 16 + 8 + 4 +1 =15710. Для облегчения работы с двоичными кодами желательно знать наизусть десятичные значения чисел 2n от n = 0 до n = 14 (табл. 3.2). |