Микросхемы и их функционирование

Для обозначения полярности сигнала на схемах используется простое правило: если сигнал отрицательный, то перед его названием ставится знак минус, например, -WR или -OE, или же над названием сигнала ставится черта. Если таких знаков нет, то сигнал считается положительным. Для названий сигналов обычно используются латинские буквы, представляющие собой сокращения английских слов, например, WR — сигнал записи (от "write" — "писать").

Инверсия сигнала обозначается кружочком на месте входа или выхода. Существуют инверсные входы и инверсные выходы (рис. 2.2).

Если какая-то микросхема выполняет функцию по фронту входного сигнала, то на месте входа ставится косая черта (под углом 45°), причем наклон вправо или влево определяется тем, положительный или отрицательный фронт используется в данном случае (рис. 2.2).

Тип выхода микросхемы помечается специальным значком: выход 3С — перечеркнутым ромбом, а выход ОК — подчеркнутым ромбом (рис. 2.2). Стандартный выход (2С) никак не помечается.

Наконец, если у микросхемы необходимо показать неинформационные выводы, то есть выводы, не являющиеся ни логическими входами, ни логическими выходами, то такой вывод помечается косым крестом (две перпендикулярные линии под углом 45°). Это могут быть, например, выводы для подключения внешних элементов (резисторов, конденсаторов) или выводы питания (рис. 2.3).

В схемах также предусматриваются специальные обозначения для шин (рис. 2.4). На структурных и функциональных схемах шины обозначаются толстыми линиями или двойными стрелками, причем количество сигналов, входящих в шину, указывается рядом с косой чертой, пересекающей шину. На принципиальных схемах шина тоже обозначается толстой линией, а входящие в шину и выходящие из шины сигналы изображаются в виде перпендикулярных к шине тонких линий с указанием их номера или названия (рис. 2.4). При передаче по шине двоичного кода нумерация начинается с младшего разряда кода.

При изображении микросхем используются сокращенные названия входных и выходных сигналов, отражающие их функцию. Эти названия располагаются на рисунке рядом с соответствующим выводом. Также на изображении микросхем указывается выполняемая ими функция (обычно в центре вверху). Изображение микросхемы иногда делят на три вертикальные поля. Левое поле относится к входным сигналам, правое — к выходным сигналам. В центральном поле помещается название микросхемы и символы ее особенностей. Неинформационные выводы могут указываться как на левом, так и на правом поле; иногда их показывают на верхней или нижней стороне прямоугольника, изображающего микросхему.

В табл. 2.1 приведены некоторые наиболее часто встречающиеся обозначения сигналов и функций микросхем. Микросхема в целом обозначается на схемах буквами DD (от английского "digital" — "цифровой") с соответствующим номером, например, DD1, DD20.1, DD38.2 (после точки указывается номер элемента или узла внутри микросхемы).

Более полная таблица обозначений сигналов и микросхем, используемых в принципиальных схемах, приведена в приложении.

Серии цифровых микросхем

В настоящее время выпускается огромное количество разнообразных цифровых микросхем: от простейших логических элементов до сложнейших процессоров, микроконтроллеров и специализированных БИС (Больших Интегральных Микросхем). Производством цифровых микросхем занимается множество фирм — как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому даже классификация этих микросхем представляет собой довольно трудную задачу.

Однако в качестве базиса в цифровой схемотехнике принято рассматривать классический набор микросхем малой и средней степени интеграции, в основе которого лежат ТТЛ серии семейства 74, выпускаемые уже несколько десятилетий рядом фирм, например, американской фирмой Texas Instruments (TII). Эти серии включают в себя функционально полный комплект микросхем, используя который, можно создавать самые разные цифровые устройства. Даже при компьютерном проектировании современных сложных микросхем с программируемой логикой (ПЛИС) применяются модели простейших микросхем этих серий семейства 74. При этом разработчик рисует на экране компьютера схему в привычном для него элементном базисе, а затем программа создает прошивку ПЛИС, выполняющую требуемую функцию.

Каждая микросхема серий семейства 74 имеет свое обозначение, и система обозначений отечественных серий существенно отличается от принятой за рубежом.

В качестве примера рассмотрим систему обозначений фирмы Texas Instruments (рис. 2.5). Полное обозначение состоит из шести элементов:

Примеры обозначений: SN74ALS373, SN74ACT7801, SN7400.

Отечественная система обозначений микросхем отличается от рассмотренной довольно существенно (рис. 2.6). Основные элементы обозначения следующие:

Например, КР1533ЛА3, КР531ИЕ17, КР1554ИР47.

Главное достоинство отечественной системы обозначений состоит в том, что по обозначению микросхемы можно легко понять ее функцию. Зато в системе обозначений Texas Instruments виден тип серии с его особенностями.

Чем отличается одна серия от другой?

На первом уровне представления (логическая модель) серии не различаются ничем. То есть одинаковые микросхемы разных серий работают по одним и тем же таблицам истинности, по одним и тем же алгоритмам. Правда, надо учитывать, что некоторые микросхемы имеются только в одной из серий, а некоторых нет в нескольких сериях.

На втором уровне представления (модель с учетом задержек) серии отличаются величиной задержки распространения сигнала. Это различие может быть довольно существенным. Поэтому в тех схемах, где величина задержки принципиальна, надо использовать микросхемы более быстрых серий (рис. 2.3).

На третьем уровне представления (электрическая модель) серии различаются величинами входных и выходных токов и напряжений, а также, что не менее важно, токами потребления (рис. 2.3). Поэтому в тех устройствах, где эти параметры принципиальны, надо применять микросхемы, обеспечивающие, к примеру, низкие входные токи, высокие выходные токи и малое потребление.

Серия К155 (SN74) — это наиболее старая серия, которая постепенно снимется с производства. Она отличается не слишком хорошими параметрами по сравнению с другими сериями. С этой классической серией принято сравнивать все остальные.

Серия К555 (SN74LS) отличается от серии К155 малыми входными токами и меньшей потребляемой мощностью (ток потребления — почти втрое меньше, чем у К155 ). По быстродействию (по временам задержек) она близка к К155.

Серия КР531 (SN74S) отличается высоким быстродействием (ее задержки примерно в 3–4 раза меньше, чем у серии К155), но большими входными токами (на 25% больше, чем у К155 ) и большой потребляемой мощностью (ток потребления — больше в полтора раза по сравнению с К155).

Серия КР1533 (SN74ALS) отличается повышенным примерно вдвое по сравнению с К155 быстродействием и малой потребляемой мощностью (в четыре раза меньше, чем у К155 ). Входные токи еще меньше, чем у К555.

Серия КР1531 (SN74F ) отличается высоким быстродействием (на уровне КР531 ), но малой потребляемой мощностью. Входные токи и ток потребления примерно вдвое меньше, чем у К155.

Серия КР1554 (SN74AC ) отличается от всех предыдущих тем, что она выполнена по КМОП-технологии. Поэтому она имеет сверхмалые входные токи и сверхмалое потребление при малых рабочих частотах. Задержки примерно вдвое меньше, чем у К155.

Наибольшим разнообразием имеющихся микросхем отличаются серии К155 и КР1533, наименьшим — КР1531 и КР1554.

Надо отметить, что приведенные здесь соотношения по быстродействию стандартных серий довольно приблизительны и верны не для всех разновидностей микросхем, имеющихся в разных сериях. Точные значения задержек необходимо смотреть в справочниках, причем желательно в фирменных справочных материалах.

Микросхемы разных серий обычно легко сопрягаются между собой, то есть сигналы с выходов микросхем одной серии можно смело подавать на входы микросхем другой серии. Одно из исключений — соединение выходов ТТЛ-микросхем со входами КМОП-микросхем серии КР1554 (74AC). При таком соединении необходимо применение резистора номиналом 560 Ом между сигналом и напряжением питания (рис. 2.7).

При выборе той или иной серии микросхем следует также учитывать, что микросхемы мощной и быстрой серии КР531 создают высокий уровень помех по шинам питания, а микросхемы маломощной серии К555 очень чувствительны к таким помехам. Поэтому серию КР531 рекомендуется использовать только в крайних случаях, при необходимости получения очень высокого быстродействия. Не рекомендуется также применять в одном устройстве мощные быстродействующие микросхемы и маломощные микросхемы.

Корпуса цифровых микросхем

Большинство микросхем имеют корпус, то есть прямоугольный контейнер (пластмассовый, керамический, металлокерамический) с металлическими выводами (ножками). Предложено множество различных типов корпусов, но наибольшее распространение получили два основных типа:

Номера выводов всех корпусов отсчитываются начиная с вывода, помеченного ключом, по направлению против часовой стрелки (если смотреть на микросхему сверху). Ключом может служить вырез на одной из сторон микросхемы, точка около первого вывода или утолщение первого вывода (рис. 2.8). Первый вывод может находиться в левом верхнем или в правом нижнем углу (в зависимости от того, как повернут корпус). Микросхемы обычно имеют стандартное число выводов из ряда: 4, 8, 14, 16, 20, 24, 28,.… Для микросхем стандартных цифровых серий используются корпуса с количеством выводов начиная с 14.

Назначение каждого из выводов микросхемы приводится в справочниках по микросхемам, которых сейчас имеется множество. Правда, лучше ориентироваться на справочники, издаваемые непосредственно фирмами-изготовителями. В данном курсе назначение выводов не приводится.

Отечественные микросхемы выпускаются в корпусах, очень похожих на DIL и Flat, но расстояния между их выводами вычисляются по метрической шкале и поэтому чуть-чуть отличаются от принятых за рубежом. Например, 2,5 мм вместо 2,54 мм, 1,25 мм вместо 1,27 мм и т.д. Для корпусов с малым числом выводов (до 20) это не слишком существенно, но для больших корпусов расхождение в расстоянии может стать существенным. В результате на плату, рассчитанную на зарубежные микросхемы, нельзя поставить отечественные микросхемы, и наоборот.

Двоичное кодирование

Одиночный цифровой сигнал не слишком информативен, ведь он может принимать только два значения: нуль и единица. Поэтому в тех случаях, когда необходимо передавать, обрабатывать или хранить большие объемы информации, обычно применяют несколько параллельных цифровых сигналов. При этом все эти сигналы должны рассматриваться только одновременно, каждый из них по отдельности не имеет смысла. В таких случаях говорят о двоичных кодах, то есть о кодах, образованных цифровыми (логическими, двоичными) сигналами. Каждый из логических сигналов, входящих в код, называется разрядом . Чем больше разрядов входит в код, тем больше значений может принимать данный код.

В отличие от привычного для нас десятичного кодирования чисел, то есть кода с основанием десять, при двоичном кодировании в основании кода лежит число два (рис. 2.9). То есть каждая цифра кода (каждый разряд) двоичного кода может принимать не десять значений (как в десятичном коде: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), а всего лишь два — 0 и 1. Система позиционной записи остается такой же, то есть справа пишется самый младший разряд, а слева — самый старший. Но если в десятичной системе вес каждого следующего разряда больше веса предыдущего в десять раз, то в двоичной системе (при двоичном кодировании) — в два раза. Каждый разряд двоичного кода называется бит (от английского "Binary Digit" — "двоичное число").

В табл. 2.3 показано соответствие первых двадцати чисел в десятичной и двоичной системах.

Из таблицы видно, что требуемое количество разрядов двоичного кода значительно больше, чем требуемое количество разрядов десятичного кода. Максимально возможное число при количестве разрядов, равном трем, составляет при десятичной системе 999, а при двоичной — всего лишь 7 (то есть 111 в двоичном коде). В общем случае n-разрядное двоичное число может принимать 2n различных значений, а n-разрядное десятичное число — 10n значений. То есть запись больших двоичных чисел (с количеством разрядов больше десяти) становится не слишком удобной.

Для того чтобы упростить запись двоичных чисел, была предложена так называемая шестнадцатиричная система (16-ричное кодирование). В этом случае все двоичные разряды разбиваются на группы по четыре разряда (начиная с младшего), а затем уже каждая группа кодируется одним символом. Каждая такая группа называется полубайтом (или нибблом, тетрадой ), а две группы (8 разрядов) — байтом. Из табл. 2.3 видно, что 4-разрядное двоичное число может принимать 16 разных значений (от 0 до 15). Поэтому требуемое число символов для шестнадцатиричного кода тоже равно 16, откуда и происходит название кода. В качестве первых 10 символов берутся цифры от 0 до 9, а затем используются 6 начальных заглавных букв латинского алфавита: A, B, C, D, E, F.

В табл. 2.4 приведены примеры 16-ричного кодирования первых 20 чисел (в скобках приведены двоичные числа), а на рис. 2.10 показан пример записи двоичного числа в 16-ричном виде. Для обозначения 16-ричного кодирования иногда применяют букву "h" или "H" (от английского Hexadecimal) в конце числа, например, запись A17F h обозначает 16-ричное число A17F. Здесь А1 представляет собой старший байт числа, а 7F — младший байт числа. Все число (в нашем случае — двухбайтовое) называется словом.

Для перевода 16-ричного числа в десятичное необходимо умножить значение младшего (нулевого) разряда на единицу, значение следующего (первого) разряда на 16, второго разряда на 256 (16²) и т.д., а затем сложить все произведения. Например, возьмем число A17F:

A17F=F*160 + 7*161 + 1*162 + A*163 = 15*1 + 7*16+1*256+10*4096=41343

Но каждому специалисту по цифровой аппаратуре (разработчику, оператору, ремонтнику, программисту и т.д.) необходимо научиться так же свободно обращаться с 16-ричной и двоичной системами, как и с обычной десятичной, чтобы никаких переводов из системы в систему не требовалось.

Значительно реже, чем 16-ричное, используется восьмеричное кодирование, которое строится по такому же принципу, что и 16-ричное, но двоичные разряды разбиваются на группы по три разряда. Каждая группа (разряд кода) затем обозначается одним символом. Каждый разряд 8-ричного кода может принимать восемь значений: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (табл. 2.5).

Помимо рассмотренных кодов, существует также и так называемое двоично-десятичное представление чисел. Как и в 16-ричном коде, в двоично-десятичном коде каждому разряду кода соответствует четыре двоичных разряда, однако каждая группа из четырех двоичных разрядов может принимать не шестнадцать, а только десять значений, кодируемых символами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. То есть одному десятичному разряду соответствует четыре двоичных. В результате получается, что написание чисел в двоично-десятичном коде ничем не отличается от написания в обычном десятичном коде (табл. 2.6), но в реальности это всего лишь специальный двоичный код, каждый разряд которого может принимать только два значения: 0 и 1. Двоично-десятичный код иногда очень удобен для организации десятичных цифровых индикаторов и табло.

В двоичном коде над числами можно проделывать любые арифметические операции: сложение, вычитание, умножение, деление.

Рассмотрим, например, сложение двух 4-разрядных двоичных чисел. Пусть надо сложить число 0111 (десятичное 7) и 1011 (десятичное 11). Сложение этих чисел не сложнее, чем в десятичном представлении:

При сложении 0 и 0 получаем 0, при сложении 1 и 0 получаем 1, при сложении 1 и 1 получаем 0 и перенос в следующий разряд 1. Результат — 10010 (десятичное 18). При сложении любых двух n-разрядных двоичных чисел может получиться n-разрядное или (n+1) -разрядное число.

Точно так же производится вычитание. Пусть из числа 10010 (18) надо вычесть число 0111 (7). Записываем числа с выравниванием по младшему разряду и вычитаем точно так же, как в случае десятичной системы:

При вычитании 0 из 0 получаем 0, при вычитании 0 из 1 получаем 1, при вычитании 1 из 1 получаем 0, при вычитании 1 из 0 получаем 1 и заем 1 в следующем разряде. Результат — 1011 (десятичное 11).

При вычитании возможно получение отрицательных чисел, поэтому необходимо использовать двоичное представление отрицательных чисел.

Для одновременного представления как двоичных положительных, так и двоичных отрицательных чисел чаще всего используется так называемый дополнительный код. Отрицательные числа в этом коде выражаются таким числом, которое, будучи сложено с положительным числом такой же величины, даст в результате нуль. Для того чтобы получить отрицательное число, надо поменять все биты такого же положительного числа на противоположные (0 на 1, 1 на 0) и прибавить к результату 1. Например, запишем число –5. Число 5 в двоичном коде выглядит 0101. Заменяем биты на противоположные: 1010 и прибавляем единицу: 1011. Суммируем результат с исходным числом: 1011 + 0101 = 0000 (перенос в пятый разряд игнорируем).

Помимо стандартных арифметических операций, в двоичной системе счисления используются и некоторые специфические операции, например, сложение по модулю 2. Эта операция (обозначается A) является побитовой, то есть никаких переносов из разряда в разряд и заемов в старших разрядах здесь не существует. Правила сложения по модулю 2 следующие: $$0 \oplus 0 = 0$$, $$0 \oplus 1 = 1$$, $$1 \oplus 0 = 1$$, $$1 \oplus 1 = 0$$. Эта же операция называется функцией Исключающее ИЛИ. Например, просуммируем по модулю 2 два двоичных числа 0111 и 1011:

Среди других побитовых операций над двоичными числами можно отметить функцию И и функцию ИЛИ. Функция И дает в результате единицу только тогда, когда в соответствующих битах двух исходных чисел обе единицы, в противном случае результат —0. Функция ИЛИ дает в результате единицу тогда, когда хотя бы один из соответствующих битов исходных чисел равен 1, в противном случае результат 0.

Функции цифровых устройств

Любое цифровое устройство от самого простейшего до самого сложного всегда действует по одному и тому же принципу (рис. 2.11). Оно принимает входные сигналы, выполняет их обработку, передачу, хранение и выдает выходные сигналы. При этом совсем не обязательно любое изменение входных сигналов приводит к немедленному и однозначному изменению выходных сигналов. Реакция устройства может быть очень сложной, отложенной по времени, неочевидной, но суть от этого не меняется.

В качестве входных сигналов нашего устройства могут выступать сигналы с выходов других цифровых устройств, с тумблеров и клавиш или с датчиков физических величин. Причем в последнем случае, как правило, необходимо преобразование аналоговых сигналов с датчиков в потоки цифровых кодов (рис. 2.12) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Например, в случае персонального компьютера входными сигналами являются сигналы с клавиатуры, с датчиков перемещения мыши, с микрофона (давление воздуха, то есть звук, преобразуется в аналоговый электрический сигнал, а затем — в цифровые коды), из кабеля локальной сети и т.д.

Выходные сигналы цифрового устройства могут предназначаться для подачи на другие цифровые устройства, для индикации (на экране монитора, на цифровом индикаторе и т.д.), а также для формирования физических величин. Причем в последнем случае необходимо преобразовывать потоки кодов с цифрового устройства в непрерывные (аналоговые) сигналы (рис. 2.12) с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и в физические величины. Например, в случае персонального компьютера выходными сигналами будут: сигналы, подаваемые компьютером на принтер; сигналы, идущие на видеомонитор (аналоговые или цифровые); звук, воспроизводимый динамиками компьютера (потоки кодов с компьютера преобразуются в аналоговый электрический сигнал, который затем преобразуется в давление воздуха — звук).

Одно цифровое устройство может состоять из нескольких более простых цифровых устройств. Часто эти составные элементы называют блоками, модулями, узлами, частями. Если объединяются несколько сложных цифровых устройств, то говорят уже о цифровых системах, комплексах, установках. Мы в основном будем использовать термин "устройство", как занимающий промежуточное положение.

Связь между входными и выходными сигналами может быть жесткой, неизменной или гибко изменяемой (программируемой). То есть цифровое устройство может работать по жесткому, раз и навсегда установленному алгоритму или по алгоритму программируемому. Как правило, при этом выполняется один очень простой принцип: чем больше возможностей для изменения связи входных и выходных сигналов, чем больше возможностей изменения алгоритма работы, тем цифровое устройство будет медленнее. Речь в данном случае, конечно же, идет о предельно достижимом быстродействии.

Иначе говоря, простые устройства с жесткой логикой работы всегда могут быть сконструированы с более высоким быстродействием по сравнению с программируемыми, гибкими устройствами со сложным алгоритмом работы. Жесткая логика также обеспечивает малый объем аппаратуры (малые аппаратурные затраты) для реализации простых функций. Зато программируемые, интеллектуальные устройства обеспечивают более высокую гибкость и меньшую стоимость при необходимости сложной обработки. А для реализации простых функций они часто оказываются избыточно сложными. Так что выбор между двумя этими типами цифровых устройств зависит от конкретной решаемой задачи.

Значительное число задач может быть решено как чисто аппаратным путем (с помощью устройств на жесткой логике), так и программно-аппаратным путем (с помощью программируемых устройств). В таких случаях надо смотреть, какие характеристики устройства являются самыми важными: скорость работы, стоимость, гибкость, простота проектирования и т.д. — и в зависимости от этого выбирать то или иное решение, так или иначе перераспределять функции между программным обеспечением и аппаратурой.

В данном курсе основное внимание будет уделено устройствам и узлам с жесткой логикой работы. Однако уяснение принципов их работы и их проектирования может оказать большую помощь и при создании программируемых, интеллектуальных устройств.