Лекция "базовые логические элементы компьютера, "

          тема 1 вопрос 14 базовые логические элементы компьютера, их назначение и обозначение на схемах Логический элемент (логический вентиль) — это электронная схема, выполняющая  некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 3.23 приведены примеры условных  графических обозначений некоторых логических элементов. Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто  интегральная схема содержит несколько логических элементов. Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических  устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.  Классификация и основные параметры Рассмотрим наиболее широко используемую исторически сложившуюся классификацию.  Она построена и с учетом того, какие электронные приборы являются основными в  соответствующих интегральных схемах, и с учетом особенностей использованных  схемотехнических решений. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики): резисторно­транзисторная логика (РТЛ);  диодно­транзисторная логика (ДТЛ);  транзисторно­транзисторная логика (ТТЛ);  эмиттерно­связанная логика (ЭСЛ);  транзисторно­транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);  логика на основе МОП­транзисторов с каналами типа р (р­МДП);  логика на основе МОП­транзисторов с каналами типа п (л­МДП);  логика на основе комплементарных ключей на МДП­транзисторах (КМДП, КМОП);  интегральная инжекционная логика И2Л;  логика на основе полупроводника из арсенида гал лия GaAs;  В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ,  КМОП, ЭСЛ. Устарела и практически не используется РТЛ. Для разрабатываемых в  настоящее время устройств можно рекомендовать использовать КМОП­логику, а также  логику на основе GaAs. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе  серий микросхем. Серия микросхем — это совокупность микросхем, характеризуемых  общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями  электрических сигналов и напряжения питания. Приведенная классификация охватывает не только собственно логические элементы, но и  другие цифровые устройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь следует  учитывать, что при производстве сложных цифровых устройств некоторые логики не  использовались и не используются. Приведем примеры серии микросхем: ТТЛ — К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ ­ 530,  КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533; ЭСЛ ­ 100, К500, К1500; КМОП ­ 564, К561, 1564, КР1554; GaAs ­К6500; Каждая серия микросхем, несмотря на то, что она обычно содержит самые разнообразные  цифровые устройства, характеризуется некоторым набором параметров, дающих  достаточно подробное представление об этой серии. При определении этих параметров  ориентируются именно на логические элементы — простейшие устройства серии  микросхем. В соответствии с этим говорят о параметрах не серии микросхем, а опараметрах логических элементов данной серии. Рассмотрим наиболее важные из параметров. Быстродействие характеризуют временем задержки распространения сигнала tзр и  максимальной рабочей частотой Fмакс. Обратимся к идеализированным временным  диаграммам, соответствующим элементу НЕ (инвертору) (рис. 3.24). Через Uвх1и  Uвых1обозначены уровни входного и выходного напряжений, соответствующие логической единице, а через Uвх0и Uвых0 — соответствующие логическому нулю. Различают время  задержки tзр10 распространения при переключении из состояния 1 в состояние 0 и при  переключении из состояния 0 в состояние 1 — tзр01,а также среднее время задержки  распространения tзр, причем  Время задержки принято определять по  перепадам уровней 0,5DUвхи 0,5DUвых. Максимальная рабочая частота Fмакс — это  частота, при которой сохраняется работоспособность схемы. Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу Коб и  коэффициентом разветвления по выходу Краз (иногда используют термин «коэффициент  объединения по выходу»). Величина Коб — это число логических входов, величина Краз — максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: Коб = 2...8, Краз =  4...10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз = 20...30. Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуют напряжением Uист, которое  называют статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое  напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение  выходных уровней логического элемента. Важным параметром является мощность, потребляемая микросхемой от источника  питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают  среднюю потребляемую мощность для этих состояний. Важными являются также следующие параметры: напряжение питания;  входные пороговые напряжения высокого и низко го уровня Uвх 1порог и Uвх 0порог,   соответствующие изменению состояния логического  элемента;  выходные напряжения высокого и низкого уровней  Uвых1  и  Uвых0 Используют и другие параметры.   Особенности выходных каскадов цифровых микросхем Часто возникает необходимость подключения выходов нескольких цифровых микросхем к  одной нагрузке. Одним из способов объединения выходов является использование в  выходных каскадах микросхем транзисторов, один из выводов которых (коллектор,  эмиттер, сток, исток) никуда не подключен. Такой вывод называют открытым.   Покажем схематически (рис. 3.25), как объединяются выходы микросхем с открытым  коллектором. Такую схему называют «монтажным (проводным) ИЛИ». Если открытым является коллектор транзистора п­р­п­типа, эмиттер транзистора р­п­р­ типа, сток транзистора с каналом n­типа, исток транзистора с каналом р­типа, то вывод  обозначают символом . Если открытым является коллектор транзистора p­n­р­типа,  эмиттер транзистора n­р­n­типа, сток транзистора с каналом р­типа, исток транзистора с  каналом n­типа, вывод обозначают символом . Выходные каскады некоторых микросхем могут работать в таком режиме, когда  микросхема оказывается фактически отключенной от нагрузки. Это так называемое третье  (высокоимпедансное) состояние микросхемы. Использование третьего состояния является  еще одним способом объединения выходов микросхем, который широко используется в  вычислительной технике, при подключении к общей шине многих устройств. Приведем  фрагмент схемы, поясняющей возникновение третьего состояния (рис. 3.26). Если оба  транзистора закрыты, то микросхема и нагрузка фактически являются разъединенными.  Наличие третьего состояния обозначают символом При использовании в едином цифровом устройстве микросхем различных серий, и в  особенности различных логик, может возникнуть проблема согласования уровней входных  и выходных напряжений. Для указанных целей производятся специальные микросхемы,  которые называют преобразователями уровня сигналов.   Особенности логических элементов различных логик Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла  — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых  разнообразных цифровых электронных устройств.  Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик. Элементы транзисторно­транзисторной логики. Характерной особенностью ТТЛ  является использование мно­гоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы  сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на  друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p­n­переход. В первом приближении  многоэмиттерный транзистор может моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на  рис. 3.27). Упрощенная схема ТТЛ­элемента приведена на рис. 3.27. При мысленной замене  многоэмиттерного транзистора диодами получаем элемент диодно­транзисторной логики  «И­НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, что если на один из входов или на оба  входа подать низкий уровень напряжения, то ток базы транзистора Т2 будет равен нулю, и  на коллекторе транзистора Т2 будет высокий уровень напряжения. Если на оба входа  подать высокий уровень напряжения, то через базу Т2 транзистора будет протекать  большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т2 будет низкий уровень напряжения, т.  е. данный элемент реализует функцию И­НЕ:Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую  операцию И, и сложный инвертор (рас. 3.28). Если на один или оба входа одновременно подан низкий  уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и  транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет  высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий  уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что  приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т. е.  реализуется функция И­НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами  Шоттки (транзисторы Шоттки). Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового  элемента серии микросхем К555 использован элемент И­НЕ. На рис. 3.29,а изображена  схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29,6. Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного  транзистора и диода Шоттки. Транзистор VT4 — обычный биполярный транзистор.      Если оба входных напряжения ивх1 и ивх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4  закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого  уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы  VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место  напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT3 и VT4 образуют так  называемый составной транзистор (схему Дарлингтона). Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами: напряжение питания +5 В;  выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;  2,5 В; выходное напряжение высокого уровня — не менее помехоустойчивость — не менее 0,3 В;  среднее время задержки распространения сигнала —­ 20 нс;  •  максимальная рабочая частота — 25 МГц. Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и  напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала  элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами  ТТЛ. Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ являетсятоковый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального  усилителя. Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются  отрицательным напряжением (к примеру, ­4,5 В для серии К1500). На базу транзистора  VT2 подано отрицательное постоянное опорное напряжение Uon. Изменение входного  напряжения ивх1 приводит к перераспределению постоянного тока Iэ0, заданного  сопротивлением Rэ, между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из  причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ. Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие пара метры: напряжение питания ­­­ ­5,2 В; потребляемая мощность — 100 мВт; коэффициент  разветвления по выходу — 15; задержка распространения сигнала — 2,9 нс. В микросхемах n­МОП и р­МОП используются ключи соответственно на МОП­ транзисторах с n­каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП­ транзисторах с p­каналом. В качестве примера рассмотрим элемент логики п­МОП, реализующий функцию ИЛИ­НЕ  (рис. 3.31). Он состоит из нагрузочного транзистора Т3 и двух управляющих транзисторов  Т1и Т2. Если оба транзистора T1 и Т2 закрыты, то на выходе устанавливается высокий  уровень напряжения. Если одно или оба напряжения и1 и и2 имеют высокий уровень, то  открывается один или оба транзистора Т1и Т2 и на входе устанавливается низкий уровень  напряжения, т. е. реализуется функция  Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии  используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП­ логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП­ транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является  очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является  элементом НЕ (инвертором). Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ­НЕ (рис. 3.32),  Если входные напряжения имеют низкие уровни (и1 и и2 меньше порогового напряжения «­ МОП­транзистора Uзипорогn), то транзисторы Т1и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4  открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень. Если одно или оба входных  напряжения и1 и и2 имеют высокий уровень, превышающий Uзипорогn ,  то открывается  один или оба транзистора Тх и Т2, а между истоком и затвором одного или обоих  транзисторов Т3 и Т4 устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию  одного или обоих транзисторов Т3 и Т4, а следовательно, на выходе устанавливается  низкое напряжение. Таким образом, этот элемент реализует функцию  потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда  происходит его переключение. Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И2Л) построена на использовании  биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и  технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади  кристалла полупроводника. Элементы И2Л могут быть реализованы только в интегральном иисполнении и не имеют аналогов в дискретной схе­ мотехнике, Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33,  из которого видно, что транзистор Т1 (р­п­р) расположен горизонтально, а  многоколлекторный транзистор Т2 (п­р­п) расположен вертикально. Транзистор Т1  выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора  Т1 (при подаче на него положительного напряжения через ограничивающий резистор) в  базу транзистора Т2. Если и1 соответствует логическому «0», то инжекционный ток не  протекает по базе многоколлекторного транзистора Т2 и токи в цепях коллекторов  транзистора Т2 не протекают, т. е. на выходах транзистора Т2 устанавливаются логические «1». При напряжении и1,  соответствующем логической «1», инжекционный ток протекает по базе транзистора Т2 и  на выходах транзистора Т2 — логические нули. Рассмотрим реализацию элемента ИЛИ­НЕ на основе элемента, представленного на рис.  3.34 (для упрощения другие коллекторы многоколлекторных транзисторов Т3 и Т4 на  рисунке не показаны). Когда на один или оба входа подается логический сигнал «1», то  напряжение ивых соответствует логическому нулю. Если на обоих входах логические  сигналы «0», то напряжение ивых соответствует логической единице. Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее  высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в  3...6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц и более. 4. Логические (функциональные) схемы  1) Схема И. Схема И реализует конъюнкцию двух или более логических значений.  Условное обозначение на структурных схемах схемы И с двумя входами представлено на  рис. 1. Таблица истинности — в таблице 1. Таблица 1  X XЧY Y 1 0 0 1 1 Рис.  0 1 0 1 0 0 0 1Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут  единицы. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль. Связь между выходом z этой схемы и входами x и y описывается соотношением: z = xЧy  (читается как "x и y").  Операция конъюнкции на функциональных схемах обозначается знаком “&” (читается как  "амперсэнд"), являющимся сокращенной записью английского слова and.  2. Схема ИЛИ Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию двух или более логических значений.  Когда хотя бы на одном входе схемы ИЛИ будет единица, на её выходе также будет  единица.  Условное обозначение схемы ИЛИ представлено на рис. 2. Знак “1” на схеме — от  устаревшего обозначения дизъюнкции как ">=1" (т.е. значение дизъюнкции равно единице,  если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между выходом z этой схемы и  входами x и y описывается соотношением: z = x v y (читается как "x или y"). Таблица  истинности — в табл. 2. Таблица 2  X Y X v Y 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 Рис. 2 3. Схема НЕ Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания. Связь между входом x этой схемы и  выходом z можно записать соотношением z = ¬ x, где ¬ x читается как "не x" или "инверсия х". Если на входе схемы 0, то на выходе 1. Когда на входе 1, на выходе 0. Условное  обозначение инвертора — на рисунке 3, а таблица истинности — в табл. 3. Таблица 3  x ¬x 1 0 Рис. 3 0 1 4. Схема И­НЕ Схема И­НЕ состоит из элемента И и инвертора и осуществляет отрицание результата  схемы И. Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом:  ,  читается как "инверсия x и y".  где  Условное обозначение схемы И­НЕ представлено на рисунке 4. Таблица истинности схемы  И­НЕ — в табл. 4. Таблица 4  y x Рис. 4 0 0 1 0 1 0 1 1 11 1 0 5. Схема ИЛИ­НЕ Схема ИЛИ­НЕ состоит из элемента ИЛИ и инвертора и осуществляет отрицание  результата схемы ИЛИ. Связь между выходом z и входами x и y схемы записывают следующим образом:  ,  , читается как "инверсия x или y". Условное обозначение схемы ИЛИ­НЕ  где  представлено на рис. 5.  Таблица истинности схемы ИЛИ­НЕ — в табл. 5.  Таблица 5.  y x ¬ (x v y) 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 Рис. 5. Другие логические элементы построены из  этих трех простейших и выполняют более  сложные логические преобразования  информации. Сигнал, выработанный одним  логическим элементом, можно подавать на  вход другого элемента, это дает возможность образовывать цепочки из отдельных  логических элементов.  Например, эта схема соответствует сложной  логической функции F(A,B)= ¬ (А V В).  Попробуйте проследить изменения  электрического сигнала в этой схеме.  Например, какое значение электрического  сигнала (O или 1) будет на выходе, если на  входе: А=1 и В=О. Такие цепи из логических элементов называются ЛОГИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ.  Логические устройства же, соединяясь, в свою очередь образуют функциональные схемы (их еще называют СТРУКТУРНЫМИ или ЛОГИЧЕСКИМИ СХЕМАМИ). По заданной  функциональной схеме можно определить логическую формулу, по которой эта схема  работает, и наоборот.  5. Что такое триггер. Триггер — это электронная схема, широко применяемая в регистрах компьютера для  надёжного запоминания одного разряда двоичного кода. Триггер имеет два устойчивых  состояния, одно из которых соответствует двоичной единице, а другое — двоичному нулю. Термин триггер происходит от английского слова trigger — защёлка, спусковой крючок.  Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip­flop, что  в переводе означает “хлопанье”. Это звукоподражательное название электронной схемы  указывает на её способность почти мгновенно переходить (“перебрасываться”) из одного  электрического состояния в другое и наоборот. Самый распространённый тип триггера — так называемый RS­триггер (S и R,  соответственно, от английских set — установка, и reset — сброс).Он имеет два симметричных входа S и R и два симметричных выхода Q и  выходной сигнал Q является логическим отрицанием сигнала  На каждый из двух входов S и R могут подаваться входные сигналы в виде  кратковременных импульсов (  Наличие импульса на входе будем считать единицей, а его отсутствие — нулем. На рис. 7 показана реализация триггера с помощью вентилей ИЛИ­НЕ и соответствующая  таблица истинности. , причем  .  ). S 0 0 1 1 R 0 1 0 1 Q запрещено 1 0 0 1 хранение бита Рис. 7 Проанализируем возможные комбинации значений входов R и S триггера, используя его  схему и таблицу истинности схемы ИЛИ­НЕ (табл. 5).  Если на входы триггера подать S=“1”, R=“0”, то (независимо от состояния) на  выходе Q верхнего вентиля появится “0”. После этого на входах нижнего вентиля  окажется R=“0”, Q=“0” и выход  станет равным “1”.  Точно так же при подаче “0” на вход S и “1” на вход R на выходе  появится “0”, а  на Q — “1”.  Если на входы R и S подана логическая “1”, то состояние Q и  не меняется.  Подача на оба входа R и S логического “0” может привести к неоднозначному  результату, поэтому эта комбинация входных сигналов запрещена.  Поскольку один триггер может запомнить только один разряд двоичного кода, то для  запоминания байта нужно 8 триггеров, для запоминания килобайта, соответственно, 8 • 210  = 8192 триггеров. Современные микросхемы памяти содержат миллионы триггеров. 6. Что такое сумматор? Основной элементарной операцией, выполняемой над кодами чисел в цифровых  устройствах, является арифметическое сложение. Сумматор — логический  операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел. При  арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учёт знаков  чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное. Указанные операции  выполняются в арифметическо­логических устройствах (АЛУ) или процессорных  элементах, ядром которых являются сумматоры.  Сумматоры классифицируют по различным признакам. Мы рассмотрим лишь некоторые: По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел: одноразрядные,  многоразрядные.  По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров:  четвертьсумматоры   полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются  одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая  сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд);  полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх  входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется  1. 2. 3. 4.     арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более  старший разряд).  Начнем с рассмотрения работы полусумматора. Полусумматор (рис. ) имеет два входа a и b для двух слагаемых и два выхода: S — сумма,  P — перенос. Обозначением полусумматора служат буквы HS (half sum — полусумма).  Работу его отражает таблица истинности  (табл. ).     рис.8 a b P S 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 таблица 8.  Многоразрядный двоичный сумматор, предназначенный для сложения многоразрядных  двоичных чисел, представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров, с  рассмотрения которых мы и начнём.  При сложении чисел A и B в одном i­ом разряде приходится иметь дело с тремя цифрами: 1. цифра ai первого слагаемого;  2. цифра bi второго слагаемого;  3. перенос pi–1 из младшего разряда.  В результате сложения получаются две цифры:  1. цифра ci для суммы;  2. перенос pi из данного разряда в старший.  Таким образом, одноразрядный двоичный сумматор есть устройство с тремя входами  и двумя выходами, работа которого может быть описана следующей таблицей  истинности: Входы Первое  слагаемое Второе  слагаемое Выходы Перенос Сумма Перенос 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 Если требуется складывать двоичные слова длиной два и более бит, то можно использовать последовательное соединение таких сумматоров, причём для двух соседних сумматоров  выход переноса одного сумматора является входом для другого.Например, схема вычисления суммы C = (с3 c2 c1 c0) двух двоичных трехразрядных чисел A  = (a2 a1 a0) и B = (b2 b1 b0) может иметь вид: