Логические основы построения цифровых устройств. Цифровая электроника для начинающих
О счастье
Мамины стихи
(Из поэмы «О семье и доме»)
О счастье много говорят.
И кажется – далёко
Зарницы счастия горят,
Когда нам одиноко.Всё ищем мы бог знает в чём
Его, мечась без толку,
А счастье рядом: вас плечом
Коснулось втихомолку!Давно я знаю, что оно
Не где-то, в дальнем громе:
Оно, как светлое окно,
Сверкает в нашем доме.В ответственности и в любви,
В семейственном согласье.
А нет любви – как ни зови,
Исчезнет в одночасье.Оно всегда наш гость живой,
Когда здоровы дети,
Когда вы с ясной головой
Встаёте на рассвете.И в тишине, когда мы спим.
Порою – в самом малом…
И нечего бежать за ним
Куда-то вдаль по шпалам!
Лапки
Как у старой бабки
Жили-были лапки.Встанет бабка утром рано,
Выйдет в погреб за сметаной -
Лапки вслед за ней бегут.
Всюду бабку стерегут.Сядет бабушка вязать -
Лапки рядом с ней опять:Схватят бабушкин клубок
И закатят в уголок…
Надоели бабке
Озорные лапки!Видит бабка – у ворот
Умывают лапки рот.Стала бабка ждать гостей,
Суп сварила из костей.Ждёт гостей, а их всё нет,
Стынет бабушкин обед.
Глядь, а лапки из кастрюли
Кость большую утянули.Вот тебе и лапки!
Нет покоя бабке.Отчего ж тогда стара
Их не гонит со двора?Оттого, что ночью лапки
Верно служат старой бабке.
Если лапки ночью вскочат,
Когти острые поточат,По полу пройдутся -
Все мыши разбегутся!Нет мышей у бабки.
Вот такие лапки!
Как я искал свой день
Однажды летом -
Чур меня! -
Проснулся я
Средь бела дня.В уме был вроде здравом,
А левый взял башмак -
Башмак стал сразу правым!
Нет, что-то здесь не так…
Тогда за самоваром
Пошёл я босиком -
Себя за самоваром
Побаловать чайком.А самовар мне в брюхо
Швыряет горсть углей,
Да как мне рявкнет в ухо:
– В себя воды налей!И сразу же из дыма
Вверх поползла труба.
Я на пол сел…
Глядь, мимо
Бежит моя изба.А за избою следом
Бежали свет, и тень,
И завтрак за обедом…
И так удрал весь день.Остался я во мраке
Один среди двора.
Как вдруг из-под собаки
Полезла конура.Я сам бежать пустился -
На запад,
На восток…
Но как я ни крконец ознакомительного фрагмента
Юрий Иосифович Коринец
Стихотворения
Как у старой бабки
Жили-были лапки.
Встанет бабка утром рано,
Выйдет в погреб за сметаной -
Лапки вслед за ней бегут.
Всюду бабку стерегут.
Сядет бабушка вязать -
Лапки рядом с ней опять:
Схватят бабушкин клубок
И закатят в уголок…
Надоели бабке
Озорные лапки!
Видит бабка – у ворот
Умывают лапки рот.
Стала бабка ждать гостей,
Суп сварила из костей.
Ждёт гостей, а их всё нет,
Стынет бабушкин обед.
Глядь, а лапки из кастрюли
Кость большую утянули.
Вот тебе и лапки!
Нет покоя бабке.
Отчего ж тогда стара
Их не гонит со двора?
Оттого, что ночью лапки
Верно служат старой бабке.
Если лапки ночью вскочат,
Когти острые поточат,
По полу пройдутся -
Все мыши разбегутся!
Нет мышей у бабки.
Вот такие лапки!
Как я искал свой день
Однажды летом -
Чур меня! -
Проснулся я
Средь бела дня.
В уме был вроде здравом,
А левый взял башмак -
Башмак стал сразу правым!
Нет, что-то здесь не так…
Тогда за самоваром
Пошёл я босиком -
Себя за самоваром
Побаловать чайком.
А самовар мне в брюхо
Швыряет горсть углей,
Да как мне рявкнет в ухо:
– В себя воды налей!
И сразу же из дыма
Вверх поползла труба.
Я на пол сел…
Глядь, мимо
Бежит моя изба.
А за избою следом
Бежали свет, и тень,
И завтрак за обедом…
И так удрал весь день.
Остался я во мраке
Один среди двора.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
Как же все-таки трудно поверить в то, что все будет хорошо. Неуверенность в завтрашнем дне наполняет мысли страхом. Комок в груди не дает дышать полной грудью. И никакие книги, практики известных психологов и коучей не могут помочь настроиться на правильные мысли. Отчаянье буквально поднимается из глубоких недр души.
И самое страшное – что в этой борьбе тебе никто не может помочь. В ней участвуют только двое: ты и твой страх. А за окном куда-то спешат люди – может, на работу или в магазин, по дорогам пролетают машины. Кто-то покупает уличный кофе и продолжает свой путь, кто-то продает мандарины, а бездомная собака сидит возле супермаркета – наверное, чего-то ждет.
Знаете, у меня такое чувство, что мы с этой собакой в чем-то похожи. Я тоже чего-то жду, а жизнь вокруг продолжается. Кто я в этом мире? Что я такое? Куда мне двигаться? Может, кто-то нарисует мне карту, даст проводника – и я смело пойду вперед?
Но, к сожалению, миру все равно, есть я или нет. Мир продолжает двигаться независимо от того, двигаюсь ли я. Поэтому сейчас я сижу перед ноутбуком и печатаю эту статью, вместо того чтобы с моим красным дипломом магистра заполнять финансовую аналитику в банке. И никто в целом мире не может понять мое стремление писать и творить.
Родные и близкие твердят, что писатель – это не профессия, что нужно заниматься чем-то серьезным, работать по специальности. А я так устала бороться с целым миром и кому-то что-то доказывать. Неужели нельзя принять меня такой, какая я есть...
Да, я не известный писатель! Да, мне многому надо учиться! Да, это не приносит мне высоких доходов! Да, меня критикуют! Да, некоторые люди пишут мне, что мои статьи невозможно читать! Но самое главное – да! Я буду продолжать писать только ради тех читателей, которые говорят мне спасибо!
Я согласна быть той бездомной собакой, которая идет своим путем и сама для себя решает, что делать или не делать. Потому что мое сердце чувствует, в каком направлении мне двигаться.
Как понять, что эта дорога – именно ваша?
Если то, что вы делаете, приносит вам радость – значит, вы на правильном пути. Только не сиюминутное удовольствие, а действительно настоящую радость. Ведь, невзирая на все мои трудности, терзания и сомнения, я сейчас пишу для вас, и это для меня – самая большая радость.
Я чувствую свое предназначение в этом мире, когда мои пальцы бьют по клавиатуре старенького ноутбука. И вот в эту самую минуту мне не нужна ни карта, ни проводник, ни одобрение всего мира.
Сейчас я не испытываю ни страха, ни сомнений. Ведь я делаю то, к чему лежит душа. Вот поэтому я пишу для вас и кричу целому миру. Все будет так, как надо, не хуже и не лучше. Может, немного не так, как мы хотим, но все, что предназначено для нас, обязательно свершится.
Знайте, что в солнечном сплетении у каждого из нас находится маленький Бог, некоторые называют его Вселенной, некоторые – высшей силой. Если порой, в минуты отчаянья, вы не верите в себя, доверьтесь той силе, что выше нас. Вселенная всегда указывает нам правильный путь.
Только порой из-за трудностей мы сами отказываемся от своего призвания. Ведь призвание – это и есть жизненная дорога человека. Тяжелый или легкий этот путь – у каждого по-разному, все зависит от отношения. Ведь трудности будут всегда. Но, следуя за своим призванием, человек обретает свободу и все проблемы преодолевает с безграничной легкостью. Покажите миру свои таланты – и живите полноценной, гармоничной жизнью.
А знаете, зима – очень красивая пора года, особенно если смотреть из 25 этажа на немного мрачный город. Особенно мне нравится ощущение того, что весь Киев – на моей ладони. Зимний город шепчет мне, что я на правильном пути. И счастье – оно совсем рядом, внутри меня самой. Ведь, как говорил Далай-лама, если Бог хочет сделать нас счастливыми, то он ведет нас самой трудной дорогой, потому что легких путей к счастью не бывает.
С любовью, Алена Топчанюк
PAGE 173
Курс лекций Техническая электроника
Лекция 26
ОСновы цифровой схемотехники
26.1 логические элементы
В цифровых вычислительных машинах, устройствах автоматики и обработки информации используют устройства, осуществляющие логические операции.
Логическая операция - это преобразование по правилам алгебры логики (или булевой алгебры) входной цифровой информации в выходную.
Простейшее в функциональном отношении логическое устройство, выполняющее одну определенную логическую операцию над входными сигналами, называют логическим элементом .
В алгебре логики истинность суждения или высказывания о результатах той или иной логической операции обозначают символом 1, ложность - 0. Таким образом, логические переменные в алгебре логики принимают лишь два значения: единицу и нуль . Их называют двоичными переменными. Чтобы реализовать алгебру логики на электронных элементах, необходимо значение параметров этих элементов перевести на язык алгебры логики (0 или 1). Задавать значения параметров можно уровнем напряжения или полярностью импульсов.
Если сигналы подают в виде высокого (положительной или отрицательной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным. Если высокому уровню напряжения U 1 приписывают значение "единица", а низкому U ° - "нуль", то логику называют положительной (позитивной) , в противном случае - отрицательной (негативной). Разность уровней единицы и нуля называют логическим перепадом U л = U 1 - U 0 . Он должен быть значительным, иначе нельзя будет четко отделить один уровень от другого.
Если сигналы подают в импульсной форме, то такой способ подачи сигнала называют импульсным. При этом логической единице соответствует наличие импульса, логическому нулю - отсутствие импульса (положительная логика). Сигналы, соответствующие 1 (или 0), могут быть на входе и выходе разными. Наибольшее распространение получили потенциальные логические элементы, так как их можно изготовлять по технологии интегральных микросхем.
Элементарные логические операции и типы логических элементов .
Система логических элементов, на базе которой можно строить логическую схему любой сложности, называется функционально полной . Основными и наиболее простыми логическими элементами являются элементы, выполняющие операции отрицания (НЕ), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они составляют функционально полную систему и являются системой минимального базиса. Каждая из этих операций и логических элементов имеет и другое название (табл. 26.1).
Таблица 26.1 Таблица истинности четырёх логических элементов
В этой таблице даны названия логических элементов, обозначение данной операции, показано, как читается запись операции, обозначаются логические элементы в функциональных схемах, а также таблица истинности для случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности содержит правила и результат выполнения операций. В каждой ее строке записывают состояние сигналов на входах (х 1 , х 2 ) и результат логической операции на выходе (у). В общем случае логический элемент может иметь n входов и n выходов.
Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические элементы, выполняющие логические операции И - НЕ, ИЛИ - НЕ . Их названия, обозначения также даны в табл. 26.1.
Логические элементы выполняют как на дискретных приборах, так и методами интегральной технологии. Для большинства серий интегральных микросхем базисной системой являются составные логические элементы И - НЕ или ИЛИ - НЕ. Их выпускают в виде отдельных микроминиатюрных устройств в герметичном корпусе.
Рассмотрим логические элементы на полупроводниковых приборах. Логические элементы И и ИЛИ могут выполняться на резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и туннельных диодах. Элемент НЕ выполняется на транзисторах.
Составные логические элементы на разных ступенях могут выполняться на различных приборах (резисторах, диодах, транзисторах, как биполярных, так и полевых), т. е. могут иметь разные схемные варианты. В соответствии с конструкцией их называют логикой типа резисторно-транзисторной (РТЛ); диодно-транзисторной (ДТЛ); транзисторно-транзисторной (на биполярных транзисторах - ТТЛ; на полевых - р-канальная МОПТЛ, n -канальная МОПТЛ; на комплементарных полевых транзисторах - КМОП или КМОПТЛ; на транзисторах с эмиттерными связями - ТЛЭС или ЭСЛ).
Специфической логикой на транзисторах является инжекционная логика - И2Л, она не имеет аналогов в транзисторных схемах на дискретных элементах. Связь между ступенями логических элементов осуществляется либо непосредственно, либо через резистор, либо через RC -цепочку. Тогда в название логики добавляют соответствующие буквенные обозначения: НСТЛ - транзисторная логика с непосредственной связью; НСТЛМ - транзисторная логика с непосредственной связью на МОП-транзисторе; РЕТЛ - транзисторная логика с резистивно-емкостной связью.
Основные логические элементы в дискретном исполнении .
Логический элемент НЕ (табл. 26.1) имеет один вход и один выход и выполняет операцию НЕ. Он представляет собой усилительный каскад на биполярном или полевом транзисторе, работающий в ключевом режиме. На рис. 26.1 показан элемент НЕ на биполярном npn транзисторе, включенном по схеме с ОЭ.
Элемент предназначен для работы с сигналами положительной полярности в положительной логике. Транзистор T закрыт отрицательным потенциалом на базе, подаваемым от источника ЕБ. При подаче на вход элемента сигнала низкого уровня U вх = U 0 , соответствующего логическому 0, транзистор остается закрытым, коллекторный ток равен нулю, т. е. через резистор R K ток не проходит и на выходе напряжение U вых = +E K , т. е. высокого уровня U 1 , соответствующего логической 1.
При высоком уровне напряжения на входе U вх = U 1 транзистор находится в режиме насыщения, появляется коллекторный ток и на резисторе R K создается падение напряжения, примерно равное E K , а на выходе напряжение примерно равно нулю (U вых = U 0 ), т. е. будет логический нуль. Итак, если х = 0, то y = 1, если x = 1, то y = 0, т. е. элемент является инвертором - выполняет операцию отрицания .
Замечание: Следует отметить, что если элемент выполнен на кремниевом транзисторе n-р-n-структуры, источник смещения E Б можно не включать, так как и при положительных потенциалах на базе (до 0,6 В) транзистор практически закрыт.
Логический элемент И (табл. 26.1)
Может иметь два (или более) входа и один выход и работать как при потенциальных, так и импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из последовательно включенных контактов реле. Рассмотрим работу элемента И, выполненного на диодах.
Элемент, предназначенный для работы с сигналами в виде напряжений (или импульсов) положительной полярности в положительной логике , показан на рис. 26.3, а. Он имеет три входа и один выход. Элемент реализует операцию И, если сигнал 1 появляется на выходе только тогда, когда одновременно на всех входах присутствует сигнал 1 . При этом, если хотя бы на одном входе присутствует сигнал, соответствующий логическому нулю, он должен передаваться через открытый диод на выход и обеспечивать запирание тех диодов, на которые со стороны входа воздействуют сигналы, соответствующие логической 1. Будем считать, что сопротивление открытого диода R доткр << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U 0 < Е < U 1 .
Если на одном из входов цепи, например Bх 1 действует сигнал U 0 , то диод Д 1 будет открыт и ток пройдет по цепи +E, резистор R, диод Д 1 , источник U 0 . Все напряжение источника Е приложится к резистору R и на выходе напряжение окажется равным U 0 , т. е. сигнал на выходе - логический нуль. На остальных входах действует высокий потенциал U 1 , поэтому диоды закрыты, так как их анод подсоединен к зажиму на выходе с низким потенциалом U 0 , а катоды - к высокому положительному потенциалу U 1 .
Если на всех входах действует напряжение U 1 , то все диоды будут закрыты, ток в цепи +E K , R, закрытый диод, источник U 1 не проходит и падение напряжения на резисторе R равно нулю. На выходе напряжение E > U 0 , что соответствует логической 1. Таким образом, если хотя бы на один из входов воздействует сигнал, соответствующий логическому нулю, сигнал на выходе также соответствует логическому нулю. Сигнал на выходе соответствует логической 1 только если сигналы на всех входах соответствуют логической единице.
На рис. 26.3,б, г, д показаны элементы, предназначенные соответственно для работы с сигналами отрицательной полярности в положительной логике, положительной (рис. 26.3, г) и отрицательной (рис. 26.3, д) полярности в отрицательной логике. Отметим, что один и тот же элемент может работать как от положительных, так и от отрицательных сигналов, но полярность включения источника питания для положительных сигналов должна быть положительной (+E), для отрицательных сигналов - отрицательной (-E). Работают элементы так же, как и элемент на рис. 26.3, а. Наиболее распространены элементы, показанные на рис. 26.3, а, д.
Элемент И может работать и без источника питания. В этом случае возможны только два варианта включения диода, причем элемент на рис. 26.3, в реализует операцию И только от сигналов отрицательной полярности в положительной логике, а элемент на рис. 26.3, е - только от сигналов положительной полярности в отрицательной логике. Элементы без источника питания менее предпочтительны, чем с источником питания.
Логический элемент ИЛИ (табл. 26.1)
Может иметь два (и более) входа, один выход и работать как при потенциальных, так и при импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из параллельно включенных реле.
Рассмотрим элемент ИЛИ, выполненный на диодах и предназначенный для работы от сигналов в виде напряжений (импульсов) положительной полярности в положительной логике. Для того чтобы элемент реализовал операцию ИЛИ, необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение 1 только тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал 1 . При этом сигнал 1 на входе должен обеспечивать запирание всех диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал 0. Соотношение потенциалов источника сигналов низкого U 0 и высокого U 1 уровней и источника питания Е схемы такое же, как и в схеме элемента И: U 0 < E < U 1 (если U 1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии R Доткр ≈ 0.
Если на все входы подано низкое напряжение U 0 , все диоды закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов (φ K = -E); следовательно, напряжение на выходе равно E < U 1 , т. е. на выходе сигнал соответствует логическому 0. При подаче хотя бы на один из входов, например Вх 1 , высокого напряжения U 1 откроется диод Д 1 , который подключен к этому входу, а так как сопротивление открытого диода равно нулю, то потенциал φ K = +U 1 и на выходе имеется сигнал U 1 (логическая 1). Если в это время на какие-то диоды со стороны входа будет подан низкий потенциал U 0 , они окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциал φ K = +U 1 . Таким образом, на выходе сигнал будет соответствовать логической 1, если хотя бы на одном из входов (или первом, или втором, или третьем) сигнал соответствует логической 1.
Сравним рис. 26.5, а, на котором показан элемент ИЛИ, предназначенный для работы от сигналов положительной полярности в отрицательной логике, с рис. 26.3, г. Они одинаковы. Таким образом, можно отметить, что элемент ИЛИ в положительной логике может выполнить операцию И в отрицательной логике, и наоборот. Все элементы И на рис. 26.3 в другой логике, чем для элемента И, реализуют операцию ИЛИ.
Элемент ИЛИ, как и элемент И, может не содержать источника питания. Элемент на рис. 26.5,б предназначен для работы от сигналов положительной полярности в положительной логике, а на рис. 26.5, в - от сигналов отрицательной полярности в отрицательной логике. Сравнение этих элементов ИЛИ с элементами И на рис. 26.3, в, е подтверждает, что оба элемента могут выполнять обе операции: и И, и ИЛИ; элемент И (ИЛИ) - в положительной логике, в отрицательной логике - ИЛИ (И).
Операции ИЛИ - НЕ и И - НЕ образуются путем инверсии результатов, получаемых при выполнении операции ИЛИ и И соответственно:
ИЛИ - НЕ (26.1)
И - НЕ
(26.2)
что видно из таблицы истинности для двух входных элементов (табл. 26.2).
Таблица 26.2 - таблица истинности для двух входных элементов
Элемент, выполняющий операцию И - НЕ в положительной логике (табл. 26.3), в отрицательной логике выполнит операцию ИЛИ - НЕ (табл. 26.4).
Таблица 26.3 Таблица 26.4
Логические элементы в интегральном исполнении предназначают для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выполняться по логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных биполярных микросхемах чаще используют кремниевые транзисторы n-p-n-типа (см. замечание к элементу НЕ). В режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором таких транзисторов сравнительно велико (0,4 В и выше).
Лекция 27
ОСновы цифровой схемотехники
27.1 логические элементы на транзисторах
Логический элемент И - НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ). Входные сигналы подаются на элемент И, выходной сигнал снимается с элемента НЕ . Таким образом, на выходе элемента И - НЕ сигналом будет логическая 1, если на входе элемента НЕ присутствует сигнал, соответствующий логическому 0. Чтобы это имело место, хотя бы на один вход элемента И должен быть подан сигнал, соответствующий логическому 0. Логический элемент И - НЕ для сигналов положительной полярности показан на рис. 27.1. Он представляет собой соединение через диоды Д с двух элементов: диодного элемента И и транзисторного элемента НЕ (см. соответственно рис. 26.3, а и рис. 26.1, на которых показаны элементы НЕ и И). При этом элемент "НЕ" не имеет источника смещения E Б , исходя из сделанного ранее замечания о работе кремниевых транзисторов. Кроме того, значения напряжений, соответствующих логическим 0 и 1, необходимо выбрать должным образом, так как при напряжении на базе, несколько меньшем 0,6В, транзистор будет закрыт, а в режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором равно 0,4 В (и выше).
Рассмотрим работу элемента. Если на все входы подано напряжение U 1 (логическая 1), все диоды (Д 1 Д 2 , Д 3 ) будут закрыты и ток в цепи источник E 1 , резистор R 1 , открытые диоды Дc пройдет в базу транзистора. Вследствие падения напряжения на резисторе R 1 потенциал φ 1 окажется несколько ниже потенциала +E 1 , диод Д 1 будет открыт и потенциал базы φ Б транзистора меньше потенциала φ 1 на значение падения напряжения на диодах Дc (но выше 0,6В, так что транзистор будет находиться в режиме насыщения). На выходе элемента НЕ установится низкое напряжение U 0 , соответствующее логическому 0. Если хотя бы на один вход, например Вх 1 , будет подано напряжение U 0 , то соответствующий диод Д 1 будет открыт и потенциал φ 1 будет ≈ U 0 . Ток от источника E 1 будет проходить через резистор R 1 . Часть тока замкнется через открытый диод Д 1 ; источник U 0 , источник E 1 , часть - через смещающие диоды Дc, резистор R 2 и источник E 1 . Потенциал базы φ Б = U БЭ будет ниже потенциала φ 1 на значение падения напряжения на смещающих диодах Дc. При этом элемент рассчитывают таким образом, чтобы падение напряжения на диодах Дc было таким, чтобы φ Б = U БЭ > 0, но значительно меньше 0,6В. В этом случае транзистор будет закрыт и на выходе элемента НЕ напряжение окажется равным E K > U 0 , т. е. получим логическую 1.
Логический элемент И - НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) . Простейший элемент И - НЕ показан на рис. 27.2, а. Он состоит из двух частей: элемента И на многоэмиттерном транзисторе Т 1 и элемента НЕ на транзисторе Т 2 . Связь непосредственная: коллектор Т 1 соединен с базой транзистора Т 2 . Смещение в цепи базы транзистора Т 2 выполняет коллекторный переход Т 1 . Три эмиттерных перехода Т 1 подключенных к входу элемента (рис. 27.2,б), выполняют функции входных диодов в схеме И на диодах.
По сравнению с ДТЛ-элементами элементы ТТЛ обладают более высоким быстродействием. Элемент выполнен по технологии интегральных микросхем, поэтому он не содержит реактивных элементов. Он работает от сигналов в виде напряжений положительной полярности.
Рассмотрим принцип работы подобных элементов. Если на все входы подать напряжение U 1 , то все эмиттерные переходы сместятся в обратном направлении. Потенциал коллектора транзистора Т 2 окажется близким нулю, переход база - коллектор смещен в прямом направлении за счет источника +E K . Транзистор T 1 будет в инверсном режиме, транзистор Т 2 - в режиме насыщения. Коллекторный ток транзистора T 1 втекает в базу транзистора Т 2 , оставляя последний в режиме насыщения. Таким образом, на выходе будет напряжение низкого уровня U 0 , т. е. логический 0.
Если на один из входов подано напряжение U 0 , то потенциал базы транзистора T 1 станет выше потенциалов эмиттера и коллектора, поэтому T 1 окажется в режиме насыщения и ток базы замкнется через эмиттерные переходы T 1 и не поступит в его коллектор, а следовательно, и в базу T 2 . Поэтому транзистор T 2 будет закрыт, а на его выходе - напряжение высокого уровня (логическая 1). Таким образом, элемент выполняет операцию И - НЕ, так как сигнал логического нуля на выходе может быть только тогда, когда на все входы будет подан сигнал логической единицы.
27.2.1 Логический элемент ИЛИ - НЕ п-канальной МОП-транзисторной логики (МОПТЛ ). В логических схемах на полевых транзисторах используют только МОП-транзисторы с диэлектриком SiO 2 . Основные преимущества схем на МОП-транзисторах по сравнению с другими схемами - высокая степень интеграции и повышенная помехоустойчивость.
Рассмотрим схему ИЛИ - НЕ на МОП-транзисторе с индуцированным n-каналом (рис. 27.3). В отличие от рассмотренных ранее схем в ней вместо нагрузочного резистора R K имеется МОП-транзистор (на схеме рис. 27.3 он обозначен Т K ). Это связано с тем, что нагрузочный резистор сильно увеличил бы площадь схемы. Логические транзисторы Т 1 и Т 2 включены параллельно. Входное напряжение на каждом из них равно напряжению затвора: U ВХ1 = U ЗИ1 , U ВХ2 = U ЗИ2 ; выходное напряжение равно напряжению стока: U ВЫХ = U СИ . Напряжение питания обычно выбирают в три раза большим порогового Uпор (Uпор - напряжение на затворе, при котором образуется канал).
Если Uпор = 2,0В, то логический перепад (разность между входным и пороговым напряжениями) составляет 4 В. Логические уровни соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого транзисторов. Если на оба входа подать напряжение меньше порогового (соответствующее логическому нулю), то транзисторы T 1 и Т 2 окажутся закрытыми, а ток стока - практически равным нулю. При этом ток стока нагрузочного транзистора Т K тоже будет равен нулю. Поэтому на выходе установится напряжение, близкое к напряжению источника питания Е C и соответствующее логической 1.
Если на вход хотя бы одного транзистора подать напряжение, превышающее пороговое (соответствующее логической 1), то этот транзистор откроется и появится ток стока. Тогда на выходе схемы будет остаточное напряжение, значительно меньшее порогового, что соответствует логическому 0.
27.2.2 МОП-транзисторная логика на комплементарных транзисторах (КМОП). Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ, ЭСЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). Отличительной особенностью структуры КМОП по сравнению с другими МОП-структурами (N-МОП, P-МОП) является наличие как n-, так и p-канальных полевых транзисторов (рис. 27.4); как следствие, КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, однако при этом характеризуются более сложным технологическим процессом изготовления и меньшей плотностью упаковки.
Для примера рассмотрим схему вентиля 2И-НЕ, построенного по технологии КМОП (рисунок 27.5).
Если на оба входа A и B подан высокий уровень, то оба транзистора снизу на схеме открыты, а оба верхних закрыты, то есть выход соединён с землёй.
Если хотя бы на один из входов подать низкий уровень, соответствующий транзистор сверху будет открыт, а снизу закрыт. Таким образом, выход будет соединён с напряжением питания и отсоединён от земли.
В схеме нет никаких нагрузочных сопротивлений, поэтому в статическом состоянии через КМОП-схему протекают только токи утечки через закрытые транзисторы, и энергопотребление очень низкое. При переключениях электрическая энергия тратится в основном на заряд емкостей затворов и проводников, так что потребляемая (и рассеиваемая) мощность пропорциональна частоте этих переключений (например, тактовой частоте процессора).
Схема 2ИЛИ-НЕ (рисунок 27.6) работает следующим образом: когда на оба входа подан низкий уровень, оба транзистора вверху открыты и на выход подаётся высокий уровень. Если на один из входов подать высокий уровень, тогда один из транзисторов снизу будет открыт и выход будет соединён с землёй.
На рисунке с топологией микросхемы 2И-НЕ можно заметить, что в ней используются два двухзатворных полевых транзистора разных конструкций. Верхний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию 2ИЛИ, а нижний двухзатворный полевой транзистор выполняет логическую функцию 2И.
Ниже приведена схема 2ИЛИ-НЕ, применяемая на ОАО "Интеграл".
Все обозначения на рисунке 27.6 взяты с библиотеки вентильного уровня ОАО "Интеграл". Там же (в библиотеке) приведены временные задержки и рассеиваеме мощности при различных нагрузках вентиля и его топоплогическая реализация.
Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе, процессоров, используют схемотехнику КМОП.
Твоё путешествие в мир электроники мы начнем с погружения в цифровую электронику. Во-первых, потому что это верхушка пирамиды электронного мира, во-вторых, базовые понятия цифровой электроники просты и понятны.
Задумывался ли ты о том, какой феноменальный прорыв в науке и технике произошел благодаря электронике и цифровой электронике в частности? Если нет, тогда возьми свой смартфон и внимательно на него посмотри. Такая простая с виду конструкция -- результат огромной работы и феноменальных достижений современной электроники. Создание такой техники стало возможным благодаря простой идее о том, что любую информацию можно представить в виде чисел. Таким образом, независимо от того, с какой информацией работает устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Тебе наверняка знакомы римские и арабские цифры. В римской системе числа представляются в виде комбинации букв I, V, X, L, C, D, M, а в арабской с помощью комбинации символов 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Но существуют и другие формы представления числа. Одна из них -- это двоичная форма. Или, как её чаще называют, двоичная система счисления. В такой системе счисления любое число представляет собой последовательность только из "0" и "1".
| Арабские | Римские | Двоичные |
| 0 | - | 00 |
| 1 | I | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Математики c инженерами хорошо потрудились, и сегодня любая информация может быть представлена в виде комбинации нулей и единиц: сигнал с датчика движения, музыка, видео, фото, температура, и даже вот этот текст, который ты сейчас читаешь, на самом деле в недрах твоего устройства имеет вид последовательности из нулей и единиц.
Независимо от того, с какой информацией работает цифровое устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Почему именно "0" и "1", а не "0", "1" и "2", к примеру? На самом деле были вполне успешные попытки создать цифровую технику, которая использует не двоичную, а троичную систему исчисления ("0", "1" и "2"), но двоичная все же победила.
Возможно, победа досталась ей, потому что СССР развалился, а может потому, что "0" и "1" легче представить в виде электрических сигналов. А значит, цифровые устройства на основе двоичной системы исчисления проще и дешевле производить. Подробнее о двоичных числах я расскажу позже.
Структура цифрового устройства
Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.
Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.
МК является наиболее многочисленным и популярным видом микропроцессоров в мире. Особенным его делает то, что микроконтроллер представляет собой микро-PC -- целый компьютер в одной микросхеме. Представь себе компьютер размером, например, с копейку. Вот это и есть МК.
Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.
В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.
Как работает микроконтроллер
Несмотря на всю сложность конструкции настоящего микроконтроллера, рассказать, как он функционирует можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера записывается текст программы, МК считывает команды из этой программы и выполняет их", -- вот и всё.
Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.
В современном мире микропроцессор (МК тоже микропроцессор, но специализированный) может иметь либо очень много базовых команд, либо очень мало. Это такое условное разделение, для которого даже придумали два термина: CISC и RISC. CISC -- это много разных видов команд на все случаи жизни, RISC -- это только наиболее необходимые и часто использующиеся команды, т.е. сокращенный набор команд.
Большинство микроконтроллеров исповедуют RISC. Объясняется это тем, что при использовании сокращенного набора команд микроконтроллеры проще и дешевле для производства, их легче и быстрей осваивают разработчики аппаратуры. Между CISC и RISC много различий, но сейчас принципиально важно запомнить только то, что CISC -- много команд, RISC -- мало команд. Глубже с этими двумя идеями познакомимся как-нибудь в другой раз.
Что происходит, когда включается микроконтроллер?
Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК "прошит" (при этом программу называют "прошивкой") и готов к бою.
Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:
После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он "знает", куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы .
Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.
Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?
Как устроен типичный МК
Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:
- Процессор (АЛУ + устройство управления),
- Память (ROM, RAM, FLASH),
- Порты ввода-вывода .
Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.
МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.
| ПЗУ | Постоянная память. Всё, что в неё записано, остаётся в ПЗУ и после того как устройство было отключено от питания. |
| ОЗУ | Временная память. ОЗУ -- это рабочая память МК. В неё помещаются все промежуточные результаты выполнения команд или данные от внешних устройств. |
| АЛУ | Математический мозг микроконтроллера. Именно он складывает, вычитает, умножает, а иногда и делит, сравнивает нолики и единички в процессе выполнения команд программы. Один из важнейших органов МК. |
| Порты I/O | Просто устройства для общения МК с внешним миром. Без них ни во внешюю память записать, ни данные от датчика или клавиатуры получить нельзя. |
| Таймеры | Готовил торт или курицу? Ставил таймер, чтобы он тебя оповестил, когда блюдо будет готово? Вот в МК таймер выполняет схожие функции: отсчитывает интервалы, выдаёт сигнал о срабатывании и т.д. |
| Счетчики | Пригождаются, когда требуется что-либо подсчитать. |
| Регистры | Самое непонятное слово для тех, кто хоть раз пытался освоить Асемблер самостоятельно. А между прочим они своего рода выполняют роль быстрой ОЗУ МК. Каждый регистр представляет собой своего рода ячейку памяти. И в каждом МК их всего несколько десятков. |
Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.
Мозг микроконтроллера
Микропроцессор/микроконтроллер всегда работает по заложенной в него программе. Программа состоит из последовательности операций, которые МК умеет выполнять. Операции выполняются в ЦПУ -- это мозг микроконтроллера. Именно этот орган умеет производить арифметические и логические операции с числами. Но есть ещё четыре важных операции, которые он умеет делать:
- чтение из ячейки памяти
- запись в ячейку памяти
- чтение из порта В/В
- запись в порт В/В
Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.
Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).
Память микроконтроллера
Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда...пшик и нету.
Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.
В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:
- RAM (Random Access Memory) -- память со случайны доступом
- ROM (Read Only Memory) -- память только для чтения
У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.
ПЗУ
Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.
Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х...2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.
У них был один существенный минус -- при случайно засветке кристалла (тот, что виден в окошечке) программа могла быть повреждена. А также ПЗУ до сих пор работает медленней, чем ОЗУ.
ОЗУ
Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.
ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ
Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.
Отдельно от памяти программ существует память данных, в которую помещаются промежуточные результаты работы и любые другие данные, требующиеся программе. Память программ -- это обычное ОЗУ.
Такое разделение хорошо тем, что никакая ошибка в программе не сможет повредить саму программу. К примеру, когда по ошибке МК попытается записать на место какой-нибудь команды в программе случайное число. Получается что программа надёжно защищена от повреждения. Кстати, у такого разделения есть своё особо название -- "гарвардская архитектура".
В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.
Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:
Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.
ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ
КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Ты уже значешь, что мозгом МК является ЦПУ -- центральный процессор, который состоит из АЛУ (арифметико-логическое устройство) и устройства управления (УУ). УУ дерижирует всем оркестром из памяти, внешних устройств и АЛУ. Благодаря ему МК может выполнять команды в том порядке в каком мы этого хотим.
АЛУ -- это калькулятор, а УУ говорит АЛУ что, с чем, когда и в какой последовательности вычислять или сравнивать. АЛУ умеет складывать, вычитать, иногда делить и умножать, выпонять логические операции: И, ИЛИ, НЕ (о них будет чуть позже)
Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из "0" и "1". Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.
Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:
При этом УУ знает в каком месте памяти взять число "2", в каком число "5" и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.
Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про "женскую логику"? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина "солнце взошло" вызвала следствие "стало светло". При этом про каждое утверждение мы можем сказать "ИСТИНА" или "ЛОЖЬ".
Например:
- "Птицы плавают под водой" -- это ложь
- "Вода мокрая" -- при комнатной температуре это утверждение истинно
Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину "1", а ложь "0". Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:
- "Птицы плавают под водой" = 0
- "Вода мокрая" = 1
А ещё такая запись позволила математикам выполнять с этими утверждениями целые операции -- логические операции. Первым до этого додумался Джордж Буль. По имени которого и названа такая алгебра: "булева алгебра", которая оказалась очень удобной для цифровых машин.
Вторая половина АЛУ -- это логические операции. Они позволяют "сравнивать" утверждения. Базовых логических операций всего несколько штук: И, ИЛИ, НЕ, -- но этого достаточно, так как более сложные могут комбинироваться из этих трёх.
Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным
Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. "Птицы плавают под водой" И "Вода мокрая" истинно, так как истинно утверждение "вода мокрая"
Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:
Солнце всходит каждый день = ИСТИНА
НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ
Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.
УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА
Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.
Подведу итоги:
- Цифровая электроника -- верхушка айсберга электроники
- Цифровое устройство знает и понимает только числа
- Любая информация: сообщение, текст, видео, звук, -- могут быть закодированы с помощью двоичных чисел
- Микроконтроллер -- это микрокомпьютер на одной микросхеме
- Любая микропроцессорная система состоит из трёх частей: процессор, память, устройства ввода-вывода
- Процессорс состоит из АЛУ и управляющего устройства
- АЛУ умеет выполнять арифметические и логические операции с двоичными числами
Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.
p.s.
Нашёл ошибку? Сообщи мне!
Большой радиолюбитель и конструктор программ
Поиск
Мы можем оповещать вас о новых статьях,