Основы цифровой схемотехники

Что такое цифровая схемотехника

Любая из дискретных характеристик присваивает код какой-либо цифре, к примеру, нулю или единице. Переход между ними осуществляется скачками. При рассмотрении цифровых схем можно заметить режим работы электронных каскадов в формате ключа, то есть «открыт-закрыт». Таким образом, для них характерны следующие положения:

• пропуск электротока;
• отсечение тока.

Цифровые схемы применяют в разных областях хозяйственной деятельности. Подобное инженерное решение имеет ряд важных конкурентных преимуществ и демонстрирует высокую эффективность на практике. На основе цифровых технологий разработана большая часть вычислительных машин и электроники, которые отвечают актуальным запросам пользователей и позволяют решать ряд технологических задач разной сложности и масштаба.

Основы цифровой схемотехники

В зависимости от природы формируемого сигнала светотехнику классифицируют на цифровую и аналоговую. Во втором случае при выполнении различных операций и вычислений учитывают несколько параметров, в том числе, силу тока, напряжение, которое может иметь отрицательное значение, сопротивление. В случае цифровой схемотехники отсутствуют конкретизированные параметры, а построение схем осуществляется на высоком и низком логических уровнях, что значительно упрощает задачу пользователю по сравнению с аналоговыми технологиями.

Особенность аналоговых электросигналов заключается в способности изменять параметр в определенном интервале напряжений, тока, частоты и прочих метрических величин. Такие действия соотносят с натуральными физическими процессами. Подобная технология сопровождается рядом трудностей при реализации, а именно:

• неверное отображение параметров по причине повышенной реакции на помехи;
• большой процент погрешностей в результате обработки каскадами электросхем;
• повышенный уровень сложности аналогового электронного оборудования с точки зрения схемотехники, конструкции, технологических процессов.

С учетом перечисленных факторов аналоговые электронные устройства применяют для решения следующих задач:

• начальная и результирующая обработка физических сигналов;
• организация систем передачи сигналов;
• примитивные автоматизированные комплексы.

В распространенных случаях применяют двоичные цифровые сигналы такие, как:

• одноразрядный (двоичный дискретный);
• сигнал, имеющий лишь пару значений, кодирующих одну двоичную цифру (бит), к примеру, «0» означает 0 вольт, «1» определяет 5 (1.8, 3.3) вольт;
• многоразрядный, представляющий собой последовательность значений, которым присвоены двоичные цифровые коды, предназначенные для передачи по средствам двоичных дискретных сигналов.

Преимущества, которыми обладают цифровые сигналы по сравнению с прочими видами:

• упрощение основных электрических каскадов с точки зрения схемотехники, конструкции, технологии;
• устойчивость к образованию помех;
• отсутствие специальных требований к качественным характеристикам электрического питания;
• легкость реализации в форме интегральных микросхем;
• простое строение схем памяти;
• отсутствие трудностей в процессе кодирования двоичных цифр, то есть битов.

Цифровую схемотехнику используют в процессе разработки и производства разнообразных типов вычислительных машин и техники, в том числе:

• электронно-вычислительных машин;
• цифровых сетей передачи информации;
• систем, обрабатывающих сигналы разной конфигурации.

Выбор в пользу цифровых технологий обусловлен непредсказуемостью и нестабильностью аналоговой схемотехники. Это объясняется влиянием на характеристики сигналов неблагоприятных сторонних факторов, к примеру, температурного режима и внешних наводок. Обслуживание электроники на аналоговых схемах сопровождается определенными трудностями. Например, наличие флюса на плате или окисление контактов провоцируют потерю работоспособности. В этом плане цифровая схемотехника демонстрирует высокую стабильность и отказоустойчивость даже при воздействии негативных условий окружающей среды и шумов.

Перечисленные особенности аналоговой и цифровой схемотехники повлияли на развитие современных технологий. В настоящее время превалирующий информационный объем данных зафиксирован в цифровом формате, а компьютерное оборудование работает непосредственно с числами, то есть их двоичным кодом. Изучение схемотехники не требуется много времени и сил. С целью освоения основ этого технологического направления в электронике необходимо в первую очередь освоить перевод чисел из десятичной записи в двоичный код и принцип выполнения обратных операций.

Стандартная цифровая схема включает в себя следующие функциональные компоненты:

• входы;
• выходы;
• логические элементы (вентили).

В первую очередь сигнал при поступлении проходит через входы. Далее происходит его преобразование согласно установленным правилам. В результате осуществляется подача сигналов на выходы. Комбинированные схемы предполагают зависимость выходных сигналов от их входящего состояния. В случае последовательностных схем характерна зависимость между входом, выходом и внутренним состоянием схемы. Независимо от конфигурации, сигналы на выходе определяются входом. Обратная зависимость не предусмотрена.

Базовые устройства в цифровой схемотехнике

В основе цифровых схем несколько классических логических компонентов, наподобие деталей Лего. Из таких элементов допустимо создавать комбинации, взаимные соединения, конструировать новые схемы. Рассматривать компоненты целесообразно с помощью таблиц истинности, где отражено соотношение между сигналами на входе и выходе.  Графический формат представления элементов реализован с помощью диаграмм Венна.

NOT

Данный элемент считают наиболее простым. Компонент является логическим отрицанием и инвертирует сигнал на входе, представленным в единственном числе. Компактность таблицы истинности обусловлена наличием лишь пары вероятных состояний. В С/C++ рассматриваемый элемент обозначают оператором «!». Стоит отметить, что в процессе программирования это действие применимо к переменным с бинарным и любым другим значением. На схематичном изображении использовано два вида символов. С левой стороны — американский формат (ANSI), с правой стороны — европейский аналог записи (МЭК и ГОСТ). Так как второй тип практически не используют, в большинстве информационных источников можно встретить более наглядный стандарт ANSI. Таблица истинности для NOT:

Источник: tech-geek.ru

AND

В данном случае выходной сигнал определяется логической единицей при условии соответствия всех входов высокому уровню. Число входов не ограничено, что не влияет значительно на изменение таблицы истинности. Допустимо формировать каскад элементов путем подачи выхода одного вентиля AND на вход другого. Обычный формат отображения табличной формы подразумевает начальное расположение всех входов на логическом нуле с последующим поэтапным инвертированием одного из разрядов, начиная с младшего. Таким образом, реализована кодировка какого-либо числа в двоичной записи всеми входами и прибавление к этому числу единицы в каждой строке по мере прохождения всех значений.

В С/С++ предусмотрена пара аналогичных компонентов для рассматриваемого вентиля: булево И (оператор &) и логическое И (оператор &&). Первый оператор используют, когда требуется проверить флаги и выполнить прочие действия с определенными битами числа. Второй оператор необходим для работы с логическими выражениями.

Таблица истинности для AND:

Источник: tech-geek.ru

OR

В данном случае для выхода характерно положение логического ноля при нулевых значениях каждого из входов. Прочие конфигурации сопровождаются высоким уровнем на выходе. В комплексе AND и OR представляют собой пару ключевых строительных материалов цифровой логики. Сначала возникают проблемы с отличием этих компонентов друг от друга. Однако путем наработки практического опыта эта проблема легко устраняется. Кроме того, существует полезная закономерность, согласно которой форма элемента с входной стороны соответствует первой букве в английском названии.

Таким образом, округлая форма вентиля OR похожа на букву О. Прямая линия компонента AND является частью начертания буквы А. Аналогично ситуации с AND для элемента OR в языках программирования С/С++ применяют булево ИЛИ (оператор |) и логическое ИЛИ (оператор ||).

Таблица истинности OR:

Источник: tech-geek.ru

XOR

Логический компонент XOR представляет собой функцию исключающего ИЛИ. Несмотря на необычную форму таблицы истинности для данного элемента, ее достаточно просто запомнить. Здесь существует несколько важных закономерностей, а именно, высокий выходной уровень характерен для ситуации разных входов. Если число входов больше, чем два, то вентиль реализует нетривиальную функцию. При отсутствии логических единиц на входах, либо их четном числе, на выходе будет ноль. В противном случае, на выходе формируется единица.

В C/C++ это оператор  ^, с которым связана опция обмена значениями пары числовых переменных без применения временной переменной с целью промежуточного хранения, то есть свойство самообратимости. Запись в одну строку:

int x, y;

...

x ^= y ^= x ^= y

Таблица истинности для XOR:

Источник: tech-geek.ru

Этапы развития технологии микропроцессорной цифровой схемотехники

В течение всего периода в истории, когда микропроцессорная техника активно развивалась, лидерство в этой отрасли принадлежало компании из США Intel (Integrated Electronics). В 1971 году корпорация презентовала первый в мире 4-битный микропроцессор 4004. В состав машины входило 2300 транзисторов. Процессор основан на технологии 10 мкм, предполагал рабочую частоту 108 кГц, адресацию 640 байт памяти. Производительность техники составляла 0,06 MIPS. Завоевать популярность и укрепить лидирующие позиции в отрасли фирме Intel удалось с помощью разработки 8-битного микропроцессора 8080, выпущенного в 1974 году.

Усовершенствованная машина работала на частоте 2 мГц, адресовала 64 Кбайта памяти, содержала 6000 транзисторов за счет технологии 6 мкм. К процессору подключали три источника питания (+5, +12, - 5 В). Рабочий процесс предполагал усложненную двухтактную синхронизацию. Данная модель микропроцессора пользовалась большим спросом на международном рынке. В нашей стране была распространена аналогичная модификация техники К580ИК80, предназначенная для решения широкого спектра инженерных задач, в том числе, реализация роли составного компонента ПК и контроллеров разнообразных конфигураций.

Следующий исторический этап отмечен созданием микропроцессора 8085, в основе которого технология 3 мкм. На кристалле машины расположено 6500 транзисторов, а величина тактовой частоты в этом случае составляет 5 мГц при показателях производительности в 0,37 MIPS. Архитектура рассматриваемого микропроцессора аналогична архитектуре модели 8080. Однако более поздняя разработка характеризуется наличием порта последовательного интерфейса и предполагает общее питание под напряжением +5 В.

В 1979 году корпорация Intel быстрее остальных разработчиков представила 16-битный микропроцессор 8086. Функционал машины приближен к миниатюрным компьютерам из 70-х годов. Данный процессор функционировал на рабочей частоте 5 мГц с производительностью, равной 0,33 MIPS. При этом подразумевалась обработка 16-битных операндов. В основе машины технология 3 мкм с 29000 транзисторами, расположенными на кристалле. С создания микропроцессора 8086 началась разработка полноценной линейки под названием «80х86».

Аналогичный процессор К1810ВМ86 устанавливали в ПК, производимые в нашей стране. В этом случае требовалось расширение адресного пространства памяти до 1 Мбайта в процессоре с 16 - битными регистрами, что обусловило применение в микропроцессоре 8086 сегментной структуры памяти. Такая организация в дальнейшем повторялась в прочих разработках авторства  с целью обеспечения совместимости. Спустя один год, корпорация представила новую модель микропроцессора 8088 с архитектурой, аналогичной модификации 8086 с 16-битными внутренними регистрами и внешней шиной данных, соответствующей 8 битам.

В 1981 году были созданы микропроцессоры 80186/80188 с классической архитектурой предшествующих моделей 8086/8088. Отличие заключалось в наличии на кристалле контроллера, обеспечивающего непосредственный доступ к памяти, счетчика, то есть таймера, а также контроллера прерываний и расширенной командной системы. Значимым событием в индустрии стало создание микропроцессора 80286 в 1982 году. Машина основана на технологии 1,5 мкм, включает в себя 134000 транзисторов.

В процессе разработки данной техники инженеры оперировали инновационными решениями в области микрокомпьютерной архитектуры и производства крупного компьютерного оборудования. В 1986 году корпорация Intel презентовала процессор 80386, который содержал 275000 транзисторов и использовал рабочую технологию 1,5 мкм. После значительных доработок модели присвоили идентификатор 80386 DX. 1990 год отмечен разработкой микропроцессора 80386 SL в компактном корпусе и с экономичным расходом энергоресурсов. Машину спроектировали специально для ПК.

В 1989 году компания Intel презентовала микропроцессор модели 80486 с кристаллом на 1,2 миллиона транзисторов и рабочей технологией 1 мкм. Рассматриваемая модификация техники отличалась реализацией математического сопроцессора за счет одного кристалла с центральным процессором FPU (Floating Point Unit) и наличием внутренней совмещенной кэш-памяти команд и данных, емкость которой составляла 8 КБайт. С целью улучшения параметров производительности CISC-процессор оснащен RISC-ядром.

Практика применения

Ознакомиться с принципами и особенностями цифровой схемотехники целесообразно на примере практических заданий. В качестве объекта рассмотрения можно выбрать сборку 8-битного сумматора. С целью реализации подобного решения необходимо:

• две беспаечные макетные платы;
• некоторое число DIP-переключателей;
• индикационные диоды;
• резисторы для ограничения тока на 10 кОм;
• две микросхемы 74HC283.

Стоит отметить, что в семействе микросхем с маркировкой 74хх представлена продукция разного целевого назначения, в том числе, для сборки логических вентилей (к примеру, 74HC04, где 6 инверторов расположены в едином корпусе) и полнофункциональных АЛУ (74HC181). Кроме схем с комбинацией компонентов в линейке имеются последовательностные схемы такие, как:

• триггеры (74НС74);
• регистры (74НС373);
• счетчики (74НС393).

Исходя из большого количества номенклатур, можно сделать вывод о трудностях подбора необходимой схемы. Существует простое решение подобной проблемы. Нужно обратиться к справочнику, посвященному данной серии, к примеру, Texas Instruments. В документации несложно найти данные о том, как располагаются выводы у микросхемы 74HC283, а также описание с таблицами истинности. В случае сумматора на 4 бита предусмотрена опция быстрого переноса, возможность объединения микросхем для сборки сумматоров на 8, 16, 32 бита.

Иллюстрация из рассматриваемого справочника:

Источник: tech-geek.ru

Обращаясь к схеме на рисунке выше, стоит заметить некоторые отличия от ранее рассмотренных вариантов. Это объясняется возможностью реализации одинаковых функций несколькими разными методами. В процессе производства микросхем применяют ту методику, которая оправдана с экономической и практической точки зрения относительно технологического процесса. Сходства схем:

• элементы XOR от полусумматоров размещены перед выходом для значений каждого из разрядов;
• значение для переноса определяется одновременно с параметрами разрядов, что реализовано за счет наличия специальных компонентов на микросхеме.

После ознакомления с механизмами работы микросхем и функционалом ее вывода целесообразно приступить к сборке рабочего сумматора на 8 бит с помощью макетных плат. В этом случае потребуется использовать проводники и перемычки, которыми выполняют подключение элементов. Изображение платы:

Источник: tech-geek.ru

В распространенных ситуациях значения в АЛУ поступают из регистров, которые представляют собой наиболее быстрый вид памяти в компьютерной технике. Упростить задачу по сборке можно путем использования пары DIP-переключателей. На фото эти компоненты расположены слева вверху угла. С их помощью проще присваивать необходимые значения. Таким образом, рассматриваемые переключатели играют роль регистров А и В протокомпьютера. Стоит обратить внимание на нумерацию, которая в данном случае не соответствует требованиям к нужному порядку.

Пара 74НС283 находится в центральной области на нижней макетке. Отображение итога действия можно увидеть на светодиодной линейке в верхнем углу справа. Слева в нижем углу в качестве источника энергопитания установлен преобразователь USB — UART для стабилизации подачи 5В.  Когда в сборке схемы отсутствуют ошибки, после определения двоичного представления чисел на переключателях наблюдается значение суммы на диодах.

Спроектированная схема работает и на операцию вычитания. При этом не требуются изменения в структуре компонентов. При использовании представления чисел со знаком минуса в дополнительном коде нет необходимости в переопределении действия сложения, так как рабочий процесс допустимо организовать на существующем железе. Необходимо применить к каждому биту операцию NOT с последующей подачей на вход сумматора совместно с единицей. Подобный подход удобен для реализации из комплекса логических вентилей. Фото схемы:

Источник: tech-geek.ru

Задачи

Полученные практические навыки полезны в процессе решения профильных задач. С помощью изученных принципов и закономерностей представляется возможным выполнить сборку полезных и функциональных схем. При этом потребуется применять не только логические операции, но и взаимодействовать с числами. В качестве наглядного примера попробуем собрать своими силами процессор, а именно, сумматор в АЛУ, который играет роль главного блока компьютерного оборудования.

Начать следует с полусумматора. В рамках решаемой задачи потребуется выполнить сложение пары 8-битных положительных значений. Рассмотрим запись суммирования по методу «в столбик», которая имеет следующий вид:

Источник: tech-geek.ru

В определенной последовательности нужно сложить цифры в рамках каждого разряда. Двигаться при этом следует с правой в левую сторону. В результате будет определен итог для конкретного разряда. Стоит выполнить распространение переноса далее, когда имеет место переполнение. Тогда схема должна содержать пару входов А и В, а также пару выходов S и С. Проанализировать вероятные комбинации можно с помощью таблицы истинности:

Источник: tech-geek.ru

Если рассматривать отдельно полученные колонки S и С, то заметно их соответствие определенным логическим компонентам. В результате получится полноценное представление схемы:

Источник: tech-geek.ru

Ранее была рассмотрена схема полусумматора, так как в том случае не учтен выход с предшествующего разряда. Если совместить пару подобных блоков, то можно получить схему полноценного сумматора. Наглядное изображение схемы:

Источник: tech-geek.ru