¿Es posible dividir una unidad flash en 2 discos? Dividir una unidad flash en varias secciones. Gestión de utilidades de Windows.

Ministerio de la Federación Rusa

Universidad Politécnica de Tomsk

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EL Sobakin

INGENIERÍA DE CIRCUITO DIGITAL

ParteI

Tutorial

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Circuitos digitales. Libro de texto prestación. Parte I Tomsk: Editorial. TPU, 2002. - 160 p.

El manual describe los principales temas del curso de conferencias para estudiantes de la especialidad 210100 Gestión e informática en sistemas técnicos. El manual fue elaborado en el Departamento de Automatización y sistemas informáticos TPU, compatible plan de estudios disciplina y está destinado a estudiantes del Instituto de Educación a Distancia.

Publicado según la resolución del Consejo Editorial y Editorial de la Universidad Politécnica de Tomsk

Revisores:

V.M. Profesor Dmitriev, médico. ciencias tecnicas, Jefe del Departamento de Fundamentos Teóricos de la Ingeniería Eléctrica, Universidad de Sistemas de Control y Radioelectrónica de Tomsk;

SI. Korolev Director de NPO Spetstekhauditservis LLP,

Candidato de Ciencias Técnicas, Investigador Titular.

Templan 2002

Universidad Politécnica de Tomsk, 2002

Introducción

Este libro de texto está destinado a estudiantes de educación superior. instituciones educativas, estudiantes de la especialidad 210100 "Informática y gestión en sistemas técnicos". Está compilado sobre la base de un curso de conferencias impartidas por el autor en la Universidad Politécnica de Tomsk durante varios años y está dedicado a una presentación sistemática de métodos para la construcción formalizada de dispositivos de tecnología digital en microcircuitos ampliamente utilizados.

La disciplina "Ingeniería de circuitos digitales" debe considerarse como una continuación del curso "Electrónica", que los estudiantes deben dominar primero, ya que se requiere conocimiento de la base elemental de los dispositivos analógicos. dispositivos electronicos.

Mayoría sistemas modernos La automatización, los sistemas informáticos, los sistemas de transmisión y procesamiento de información se realizan en dispositivos digitales, total o parcialmente. Por lo tanto, el conocimiento de los principios del uso de dispositivos digitales y sistemas de construcción para diversos fines sobre su base es de importancia actual y de gran valor práctico tanto en las actividades de ingeniería como en la investigación metodológica.

El material del manual se puede dividir aproximadamente en tres partes: 1) Fundamentos de microelectrónica; 2) Dispositivos combinados de tecnología digital; 3) Dispositivos lógicos secuenciales de tecnología digital.

Al comenzar a dominar el curso, conviene estudiar el material en el orden en que se enumeran las partes especificadas, ya que el material posterior se basa en el conocimiento del anterior, y cambiar la secuencia puede generar dificultades para dominarlo. Esto se ve agravado aún más por el hecho de que en otros libros de texto y literatura técnica especial, se utilizan diversos términos y conceptos para explicar los mismos fenómenos, procesos, transformaciones realizadas, etc. La diferencia en los conceptos utilizados o su incorrección conduce a una mala comprensión de la esencia del material presentado y, como consecuencia, a dificultades para asimilarlo.

Las dos primeras de estas secciones están incluidas en la primera parte de este manual (Parte 1). Un manual separado está dedicado a la tercera sección.

B1.Aplicación de dispositivos digitales.

Actualmente, en relación con la creación y la introducción generalizada de dispositivos y sistemas de microprocesadores en la práctica de la ingeniería, ha surgido el interés en métodos digitales procesamiento y transmisión de información. Estos métodos, a su vez, confieren a los sistemas una serie de propiedades y cualidades positivas. Aumenta la lealtad información transmitida, se logra alta velocidad y rendimiento de los sistemas de procesamiento de información, se garantiza su costo aceptable, alta confiabilidad, bajo consumo de energía, etc.

Las tareas que resuelven estos sistemas son muy diversas y predeterminan las funciones de los dispositivos que forman un sistema específico. Por lo tanto, es aconsejable considerar los dispositivos y sus funciones a la luz de aquellas tareas que resuelven los sistemas y, en particular, aquellas subtareas que realizan los dispositivos o bloques individuales.

Principal tareas tipicas que surgen durante la gestión y control automático o automatizado de la producción u otros procesos son:

recopilación información (recibirla);

transformación información (escalado, normalización, filtrado, codificación, etc.);

transmisión-recepción información;

procesamiento y uso información;

almacenamiento información.

Dependiendo del propósito previsto y las funciones principales, existen:

Sistemas de control y seguimiento automáticos (o automatizados).

Sistemas de transmisión de información.

Sistemas de procesamiento de información (sistemas informáticos).

Para comprender la relación de estas tareas, el lugar y el papel de los dispositivos electrónicos digitales utilizados en estos sistemas, consideremos los diagramas estructurales generalizados de estos sistemas y el propósito funcional de sus componentes.

B1.1. Sistemas control automático

Administrar significa conocer el estado (posición) del objeto controlado y de acuerdo con un algoritmo dado ( algoritmo de control) influyen en el objeto, tratando de eliminar las desviaciones emergentes.

Por tanto, el control en el caso general está asociado a las siguientes acciones:

obtener información sobre el estado del objeto;

comparación de la información recibida con la información especificada sobre el estado del objeto;

generación de señales de control (influencias);

influir en un objeto para llevarlo al estado requerido.

De acuerdo con las acciones enumeradas, el sistema de control automático (ACS) en el caso general debe incluir un dispositivo de medición de información, un dispositivo de control y solenoide(Figura B1).

Dispositivo de información y medición. (AIU) recibe información sobre el objeto de control (OU) y la procesa previamente. La obtención de información consiste en generar señales primarias, cuyos valores son proporcionales a los valores de los parámetros que caracterizan el estado del amplificador operacional. Un objeto puede entenderse como una unidad de producción separada o como el proceso de producción en su conjunto. Y bajo los parámetros están las "coordenadas de salida" del objeto. Estos podrían ser, por ejemplo, valores de temperatura, presión, consumo de material o energía, etc. Dado que la mayoría de estos parámetros de coordenadas se presentan en forma analógica y se caracterizan por un conjunto infinito de valores, las señales deben normalizarse según sus parámetros, escalarse y tener una forma unificada.

Por lo tanto, la IMU debe contar con transductores y sensores de medida primarios, convertidores analógico-digitales y otros. unidades funcionales, con la ayuda del cual se realizan las siguientes transformaciones:

valores de cantidades físicas en señales analógicas unificadas de corriente continua o alterna;

escalar o normalizar señales por nivel y forma;

conversión de señales analógicas en señales discretas (digitales);

codificación de señales y algunas otras transformaciones.

Las señales sobre los valores de coordenadas actuales se envían a dispositivo de control (UU). Las funciones de este dispositivo incluyen comparar valores actuales con valores de coordenadas específicos y generar señales de control (señales de control) en función de los resultados de la comparación. Puntos de ajuste puede ser ingresado por un operador humano o automáticamente por software. En el primer caso, como unidad de control se puede utilizar un regulador automático o varios reguladores automáticos, cuyos ajustes son determinados y configurados por una persona. En el segundo caso, la unidad de control es una máquina de programa de mini o microcomputadora y el papel del operador humano se reduce a ingresar el programa y la puesta en marcha inicial del sistema.

Para realizar estas funciones, la unidad de control debe realizar operaciones aritméticas y lógicas para calcular valores y comparar señales, memorizar (almacenar) señales a corto y largo plazo y generar señales de control unificadas. Estos últimos contienen información a partir de la cual se forman aún más las influencias sobre el objeto de control (acciones de control), llevándolo al estado requerido.

El impacto directo de las formas de naturaleza física requeridas. solenoide (UI). Convierte señales de control, por ejemplo, en forma de tensión continua o corriente de pulso, en la velocidad de rotación del motor del actuador, en el movimiento mecánico de la válvula en la línea de vapor, etc. Para realizar estas conversiones necesitarás: convertidores de digital a analógico; convertidores de señales eléctricas en no eléctricas; dispositivos de amplificación, etc. En este caso, pueden ser necesarios como medios intermedios convertidores de códigos de señales digitales o formas de representación de señales. Por ejemplo, códigos de números binarios en un número proporcional de pulsos, señales monofásicas en polifásicas, utilizadas para controlar motores paso a paso, etc.

Bajo la influencia de influencias perturbadoras, el objeto abandona su estado (modo) normal y el ACS lo devuelve al modo de funcionamiento requerido (normal). El proceso de control se produce en tiempo real, es decir, a una velocidad determinada por la naturaleza de los procesos físicos. Si las acciones de control se retrasan en el tiempo o son excesivas, entonces puede surgir un modo de funcionamiento inestable del sistema, en el que las coordenadas del objeto pueden adquirir valores inaceptables y el objeto en sí o dispositivos individuales los sistemas fallarán y ocurrirá una emergencia. Por tanto, en la teoría de las armas autopropulsadas. principal son problemas de suministroConcontrol de estabilidad y precisión.

La mayoría de estas transformaciones se pueden realizar utilizando dispositivos microelectrónicos digitales. Una unidad de control es completamente digital cuando está construida a base de microcomputadores de control o chips digitales Oh.

Realizado en chips digitales. sensores digitales cantidades físicas, así como convertidores de señales parcialmente analógico-digital y digital-analógico.

B1.2. Sistemas de transmisión de información (ITS)

Con un aumento en la distancia entre la UI y la unidad de control (Fig. B1), así como entre la unidad de control y la unidad de control, surge el problema de transmitir información. La necesidad de transmitir información a distancias significativas surge no solo en los sistemas automáticos de control y monitoreo desarrollados espacialmente, sino también en sistemas otros tipos de comunicacion(telégrafo, teléfono, telefax, etc.). Además, la necesidad de transmitir información surge en sistemas informáticos, sistemas de transmisión de datos, sistemas telemecánicos, etc. Esta tarea se complica por el hecho de que en el proceso transmisiones a través de líneas de comunicación los parámetros están distorsionados señales y esto, a su vez, puede provocar una distorsión de la información y una disminución de su precisión (la probabilidad de su correcta recepción). La distorsión de las señales se debe a interferencias., surgiendo en líneas de comunicación. La interferencia, por regla general, es de naturaleza aleatoria y sus parámetros pueden no diferir de los parámetros de las señales. Por tanto, son “capaces” de distorsionar señales e incluso “reproducir” información transformar mensaje transmitido . El último evento más indeseable en la transferencia de información.

Para garantizar una alta fidelidad y velocidad máxima (ohFeficiencia) se requieren transmisión de información, conversiones de señales adicionales y métodos especiales para su transmisión.

Tales transformaciones incluyen codificación y procedimiento inverso información de decodificación(y señales). Codificaciónhay por cientomitonto convirtiendo un mensaje en una señal. En este caso, las transformaciones se llevan a cabo de acuerdo con ciertos normas cuya totalidad llamartcódigo.

La codificación de la información se realiza en el lado transmisor y la decodificación en el lado receptor. Distinguir codificación resistente al ruido y eficiente. Objetivoresistente al ruido codificación construir (sforeditar) una señal menos susceptible a la interferencia, dale una tAuna estructura tal que los errores que surgen durante el proceso de transmisión en el lado receptor puedan detectarse o corregirse. Y, así, garantizar una alta fidelidad de transmisión.

Objetivoeficaz codificación asegurar la máxima velocidadohel crecimiento de la transferencia de información, ya que su valor está determinado en gran medida por la rapidez con la que se recibe. Según este requisito, el mensaje codificado debe contener la cantidad de información requerida y, al mismo tiempo, tener una longitud mínima para que la transmisión demore el mínimo de tiempo.

Las señales (e información) se transmiten a través de canales de comunicacion. Canal de comunicación este es un camino (camino) de transmisión independiente de señales desde la fuentehapodo al correspondiente receptor (destinatario) de información. Los canales de comunicación se forman mediante equipos técnicos de formación de canales y, al igual que las líneas de comunicación, están sujetos a interferencias.

Una de las principales tareas resueltas en SPI es la tarea de crear la cantidad requerida de canales de comunicación. La eficiencia y la inmunidad al ruido de la transmisión están determinadas en gran medida por los canales de comunicación utilizados. Bajo pompónmiLa resistencia se refiere a la capacidad de un sistema.(señal, código) prAbien hechoyorealizar sus funciones en presencia de interferencias.

Normalmente, se puede utilizar el mismo sistema para transmitir información desde muchas fuentes a un número adecuado de receptores. Por lo tanto, al dispositivo de comunicación se le asigna la formación del número necesario de canales con la inmunidad al ruido necesaria. En este caso, se pueden realizar las siguientes transformaciones en el dispositivo de comunicación: modulación y demodulación señales; amplificación de los transmitidos a la línea y recibidos desde la líneaYinstituto de investigacion comunicaciones de señales; limitación en el nivel y el espectro de frecuencias señales y algunos otros.

Dependiendo del área de uso (aplicación) del SPI, existe la necesidad de transformaciones adicionales, como convertir la forma de las señales, su naturaleza física, normalizar los parámetros de las señales recibidas del exterior y las señales emitidas por el sistema a dispositivos externos; almacenamiento temporal de señales transmitidas al canal de comunicación y emitidas por el sistema.

Las transformaciones enumeradas predeterminan. composición funcional equipos de transmisión y recepción de sistemas de transmisión de información (Fig. B2).

Como puede verse en el diagrama, la transmisión se realiza en una dirección de izquierda a derecha. El dispositivo de entrada y conversión primaria de información (UIPI) convierte las señales provenientes de fuentes de información en señales "primarias" unificadas que no se pueden transmitir directamente a largas distancias. Normalmente, estas señales unificadas son voltajes de CC con niveles fijos. En el bloque UVPI, las señales primarias se almacenan durante la transmisión (en un dispositivo de memoria intermedia), después de lo cual se borran de la memoria. Un dispositivo de codificación (CU) convierte señales primarias en señales codificadas que tienen una determinada estructura y formato, lo que permite que (señales) se transmitan a largas distancias ("teleseñales"). Por regla general, este dispositivo es combinacional, aunque en algunos casos también se puede realizar secuencial (multiciclo). Aquí se implementan operaciones lógicas y aritméticas de procedimientos de codificación.

El objetivo principal del dispositivo de comunicación (Fig. B2) es crear o organización de canales de comunicación en la línea de comunicación proporcionada. Enlace este es el entorno material entre el transmisor (Prd) y el receptor (Prm) del sistema. La figura muestra una línea de dos hilos. comunicación eléctrica. Sin embargo, se pueden utilizar enlaces de radio y líneas de comunicación de fibra óptica y otros. Dependiendo del tipo de línea se realizan diversas conversiones de señal en el Prd y Prm con el fin de armonizar sus parámetros y características con los parámetros y características de la línea de comunicación y transformaciones encaminadas a mayor inmunidad al ruido señales.

En el lado receptor, las señales codificadas recibidas de la línea de comunicación son nuevamente convertidas por el dispositivo decodificador (DCU) en señales primarias. Al mismo tiempo, se detectan errores en las señales recibidas y se pueden corregir mediante procedimientos de decodificación, asegurando así la precisión requerida en la transmisión de información. A convertidores de salida(VP) transforma estas señales primarias en una forma y forma (naturaleza física) que pueden ser percibidas por los destinatarios de la información.

Cabe señalar que la mayoría de los “nodos” y “bloques” funcionales que se muestran en la Fig. B2 se pueden implementar en chips digitales. Por tanto, los sistemas de transmisión de información suelen ser digitales.

B1.3. Sistemas de procesamiento de información

(sistemas informáticos)

Los problemas típicos enumerados anteriormente pueden resolverse y formalizarse mediante métodos matemáticos y métodos lógicos. A su vez, estos métodos operan con las operaciones más simples (aritméticas o lógicas), cuya ejecución sobre algunos “datos iniciales” produce un nuevo resultado, previamente desconocido. Esta comunidad de métodos para resolver diversos problemas de procesamiento de información hizo posible crear una clase separada de dispositivos y sistemas, propósito previsto que (inicialmente) era la automatización de procedimientos informáticos: computadoras electrónicas (computadoras). En la etapa actual de desarrollo tecnología informática Las computadoras se han "convertido" en computadoras, a partir de las cuales se construyen los sistemas informáticos modernos para procesar y transmitir información. En la Fig. B3 se muestra un diagrama de bloques generalizado de un determinado sistema informático.

Los datos son tratados previamente a través de dispositivo de entrada UVV llegar a memoria memoria, donde se almacenan durante todo el tiempo de procesamiento. El programa para procesar la información entrante también se almacena en la misma memoria.

El programa operativo del sistema, así como los "datos", se almacenan en un dispositivo de almacenamiento en forma de números binarios de varios bits escritos en celdas de memoria de acuerdo con ciertas direcciones(direcciones de celdas de memoria). Los números binarios, cuya totalidad representa un programa de procesamiento de datos, se estructuran en un cierto número de partes, cada una de las cuales tiene un propósito específico. En el caso más simple, existen las siguientes partes: 1) el código de la operación que se debe realizar con dos números binarios, que representan valores de “datos” y se denominan “operandos”; 2) dirección del primer operando; 3) dirección del segundo operando. La combinación de estas partes forma un “equipo”.

El trabajo de una computadora consiste en la ejecución secuencial de comandos, especificado por el programa. Coordina el trabajo de todos los bloques en el tiempo y los gestiona. dispositivo de control UU.. Y realiza directamente operaciones (acciones) lógicas y aritméticas sobre los operandos. aritméticaYdispositivo cológico ALU, que, a partir de una señal procedente de la centralita “código de operación”, se configura cada vez para realizar una operación específica.

El dispositivo de control descifra el comando recibido de la memoria (Fig. B3 “siguiente comando”), envía el código de operación a la ALU y se prepara para realizar la operación correspondiente. Luego genera señales de muestreo de la memoria de operandos (consulte la señal "Direcciones de datos") y determina la dirección del siguiente comando que debe ejecutarse en el siguiente ciclo de la computadora ("Dirección del siguiente comando"). Según las señales de la unidad de control, los operandos se leen de la memoria y la ALU realiza las acciones necesarias. En este caso se forma un resultado intermedio (“Resultado de la operación”), que también ahorra memoria. Dependiendo del resultado de la operación, puede ser necesario cambiar la secuencia de ejecución del comando, detener el procesamiento de datos o mostrar mensajes de error al operador. Para ello, la señal "Señal de resultado" se envía desde la ALU a la unidad de control. El proceso de procesamiento de los datos ingresados ​​(información) continúa hasta que se recupera el comando "Fin de los cálculos" o el operador, a su propia discreción, detiene el proceso de procesamiento de datos.

El resultado del procesamiento resultante también se almacena en la memoria y se puede generar a través de dispositivo de salida Ay al final del proceso de procesamiento o durante el proceso, si así lo prevé el programa.

Para la "comunicación" entre el operador y la computadora, se proporcionan dispositivos terminales ESO, destinado a que el operador ingrese comandos y otros mensajes y a que la computadora envíe "mensajes" al operador.

La Fig. B3 no muestra las conexiones del dispositivo de control, que aseguran la sincronización del funcionamiento de todos los componentes de la computadora. Las flechas anchas indican la posibilidad de transmisión de datos en paralelo (transmisión simultánea de todos los bits de números binarios de varios bits).

Casi todos los bloques que se muestran en la Fig. B3 (excepto los dispositivos terminales) se pueden implementar completamente solo en circuitos integrados digitales (CI). En particular, la unidad de control, la ALU y parte de la memoria (memoria de registro SRAM) se pueden fabricar en forma de un IC con un alto grado de integración. El conjunto de bloques nombrado se forma microprocesador UPC Computadora fabricada con tecnología integrada en un solo chip semiconductor.

Los dispositivos de entrada y salida de datos, por regla general, constan de registros de almacenamiento en búfer que sirven para el almacenamiento temporal de datos de entrada y salida, respectivamente, y para coordinar el sistema con dispositivos externos.

El dispositivo de almacenamiento (SRAM) suele dividirse en dos partes: memoria de acceso aleatorio (RAM) y memoria permanente. El primero sirve para almacenar resultados intermedios de los cálculos; su “contenido” cambia constantemente durante el procesamiento de los datos. La RAM funciona en modos de datos de "lectura" y "escritura". Y la segunda, la memoria de solo lectura (ROM), se utiliza para almacenar subrutinas estándar y algunas subrutinas del sistema (servicio) que controlan los procesos de encendido y apagado de la computadora. Normalmente, la ROM se implementa en una ROM programable en campo (FPROM) de IC, ya sea una ROM IC preprogramada de fábrica o una ROM reprogramable por el usuario (ROM reprogramable). Normalmente, se trata de dispositivos de almacenamiento no volátiles en los que la información registrada no se "destruye" incluso cuando se desconectan de la fuente de alimentación.

La ALU incluye un IC del mismo nombre que realiza operaciones lógicas y aritméticas con números binarios, elementos lógicos y una serie de otras unidades funcionales que sirven para comparar números, comparadores digitales, para aumentar la velocidad de las operaciones aritméticas realizadas, por ejemplo, " unidades de transferencia rápida”, etc.

La unidad de control incluye dispositivos temporizadores que configuran frecuencia de reloj funcionamiento del sistema y, en última instancia, determinación de su rendimiento, decodificadores de códigos de comando, matrices lógicas programables, registros, microbloques control de programa, así como “puertos” de E/S.

Todas las unidades funcionales enumeradas se implementan en forma de dispositivos digitales integrados.

Principales problemas Los sistemas informáticos están, en primer lugar, mejorando su productividad(actuación). Y en segundo lugar, garantizar que los sistemas funcionen. en tiempo real.

El primer problema afecta a todo el sistema y se resuelve utilizando una nueva base de elementos y métodos especiales de procesamiento de información.

El segundo problema surge cuando se utilizan sistemas informáticos para controlar los procesos de producción y es que se debe coordinar la velocidad de los procesos de producción y de computación. En efecto, el funcionamiento de un sistema informático (CS) se produce en el llamado tiempo “máquina”, cuando se toma como unidad de tiempo un determinado intervalo de tiempo fijo e indivisible, denominado “ciclo de trabajo” de una computadora o computadora. , mientras que los procesos físicos reales, por ejemplo los procesos tecnológicos, tienen lugar en tiempo real, medido en segundos, fracciones de segundo, horas, etc. Para hacer posible el uso de computadoras, es necesario hacer que la velocidad del procesamiento de la información no sea menor que la velocidad de los procesos físicos reales. La solución a este problema se logra organizando métodos especiales para el intercambio de información (datos) entre la computadora de control y dispositivos periféricos y el uso de especiales, los llamados intercircuitos y dispositivos faciales. Las funciones de los circuitos de interfaz incluyen:

determinar la dirección de un dispositivo externo que requiere intercambio de información con el procesador o con el dispositivo de almacenamiento del sistema;

generar señales de interrupción para el procesador BC e inicializar la transición al programa de servicio para el objeto que solicitó la interrupción. Esto se lleva a cabo de acuerdo con un especial sistema de prioridades;

implementación de colas para dar servicio a dispositivos externos;

coordinación de parámetros y temporización de señales de intercambio, etc.

Gracias a logros modernos En el campo de la tecnología integrada en la fabricación de dispositivos microelectrónicos, la creación de microcomputadoras y computadoras caracterizadas por pequeñas dimensiones, bajo consumo de energía y costo razonable, ha hecho posible su uso como parte de sistemas para una amplia variedad de propósitos. Al mismo tiempo, estos sistemas adquieren nuevas cualidades y se vuelven multifuncionales con la posibilidad de una transición flexible de un modo de funcionamiento a otro mediante cambio sencillo configuraciones del sistema. A su vez, estas ventajas abren nuevas perspectivas para el uso de sistemas informáticos en una amplia variedad de áreas de la actividad humana: en ciencia, medicina, educación y formación, y más aún en tecnología.

Por ejemplo, las comunicaciones telefónicas se realizaban tradicionalmente mediante dispositivos analógicos, y el habla humana se transmitía (a través de cables) mediante señales en forma de corriente alterna. frecuencias de audio. Ahora ha habido una transición intensiva a las comunicaciones telefónicas digitales, en las que las señales analógicas (de un micrófono) se convierten en digitales y se transmiten a largas distancias sin una distorsión significativa. En el lado receptor, estas señales digitales se convierten nuevamente en analógicas y se envían al teléfono. Ir a comunicaciones digitales permite mejorar la calidad de la transmisión de voz, además, la red telefónica se puede utilizar para otros servicios: alarma de seguridad; alarma de incendios; para “llamadas en conferencia” de varios suscriptores, etc.

B2. Evaluación comparativa de dispositivos digitales y analógicos.

tecnología microelectrónica

Al decidir la construcción o el diseño de cualquier dispositivo, primero se debe decidir la dirección del diseño: ¿cómo será el dispositivo? Cosa análoga o discreto(digital)? A su vez, esta decisión se puede tomar conociendo las ventajas y desventajas de ambos dispositivos. Primero definamos los conceptos de dispositivos "analógicos" y "digitales".

Cosa análoga esto se llama dispositivo, en el que todas las señales de entrada, salida e intermedias (internas) son continuas y se describen mediante funciones matemáticas continuas. Estas señales se caracterizan por un conjunto infinito de valores de nivel (estados) y son continuas en el tiempo, aunque el rango de cambios en los valores de una señal continua es limitado. Por lo tanto, estos dispositivos a veces se denominan arreglarthstvami sustantivo, masculino—miintermitente.

Dispositivos discretos o dispositivos acción discretatViya Son aquellas cuyas señales de entrada, salida e intermedias se caracterizan por un conjunto contable de valores en nivel y existencia en determinados intervalos de tiempo. Estas señales se pueden mostrar en uno u otro sistema numérico posicional (con los números correspondientes). Por ejemplo, en el sistema numérico decimal sistema binario Estimación Representación binaria Las señales han encontrado la mayor aplicación en la tecnología y en la lógica formal en el cálculo de enunciados y en la derivación de conclusiones a partir de varias premisas. Por lo tanto, los dispositivos discretos se llaman lógico(similar al formal lógica binaria) o digital, teniendo en cuenta la posibilidad de describirlos mediante números sistema de posicionamiento Estimación

Desventajas de los medios técnicos analógicos.

Presencia de “deriva” y “ruido”. a la deriva se trata de un cambio lento en la señal, debido a la naturaleza discreta del fenómeno, en relación con su valor dado. Por ejemplo, para señales eléctricas la naturaleza discreta del flujo corriente eléctrica Provocan electrones y “huecos”, que son portadores de cargas eléctricas. Ruidos Estos son cambios de señal aleatorios causados ​​por factores externos o factores internos, por ejemplo, temperatura, presión, tensión campo magnético Tierra, etc.

Dificultades metodológicas para definir los conceptos de “igualdad a cero” e “igualdad de señales analógicas”. Y como consecuencia, la existencia del problema de “garantizar la precisión (error) especificada” de las transformaciones y transmisión de señales.

La posibilidad de que surjan modos de funcionamiento inestables y la existencia del problema de "garantizar la estabilidad" del funcionamiento de sistemas y dispositivos. Un modo inestable se caracteriza por la aparición en un dispositivo o sistema de oscilaciones no amortiguadas en el cambio de determinadas señales. En electrónica, este fenómeno se utiliza ampliamente en la construcción de generadores de impulsos y generadores de oscilaciones armónicas.

Dificultades técnicas en la implementación de dispositivos de almacenamiento y retardadores de tiempo para señales analógicas.

Nivel insuficiente de integración de elementos analógicos y su versatilidad.

Alcance de transmisión relativamente corto de señales analógicas debido a la disipación de energía en las líneas de comunicación.

Consumo de energía relativamente grande, ya que los elementos analógicos operan en secciones lineales de sus características transitorias y "consumen" energía en los estados iniciales (iniciales).

Ventajas de los medios técnicos analógicos.

Adecuación de la visualización de procesos y patrones físicos: ambos se describen mediante dependencias continuas. Esto nos permite simplificar significativamente los aspectos fundamentales. soluciones tecnicas dispositivos y sistemas analógicos.

Eficiencia y facilidad para cambiar los modos de operación: a menudo es suficiente cambiar la resistencia de una resistencia o la capacitancia de un capacitor para que un modo inestable cambie a uno estable o asegure un determinado proceso de transición en el dispositivo.

No es necesario convertir valores analógicos en discretos. Estas transformaciones van acompañadas de errores y una cierta pérdida de tiempo.

Ventajas de la tecnología digital

La posibilidad de control de programas, que aumenta la flexibilidad para cambiar la estructura y el algoritmo operativo de los sistemas, permite simplificar la implementación de leyes de control adaptativo.

Facilidad para garantizar la confiabilidad, precisión e inmunidad al ruido especificadas de los sistemas.

Garantice fácilmente la compatibilidad del dispositivo con dispositivos de procesamiento de información en formulario digital(computadoras, computadoras).

Alto grado de integración constructiva y funcional, versatilidad con capacidad de construir sistemas según soluciones de diseño estándar. A su vez, esto le permite reducir los costos de producción y operación de sistemas y dispositivos.

La capacidad de diseñar utilizando métodos lógicos formales, lo que permite reducir el tiempo de diseño de los dispositivos y permite cambiar las funciones de los dispositivos (y los sistemas basados ​​en ellos) mediante métodos de construcción agregada durante la operación.

Desventajas de la tecnología digital

La necesidad de convertir señales analógicas en discretas. Estas transformaciones van acompañadas de errores y retrasos.

La relativa dificultad de cambiar los modos de funcionamiento. Para ello, es necesario cambiar la estructura del sistema o el algoritmo de su funcionamiento.

La complejidad de los procesos de análisis del funcionamiento de los sistemas, tanto a la hora de comprobar el correcto funcionamiento de ellos como de la búsqueda de fallos emergentes. Los dispositivos digitales se caracterizan por una gran complejidad funcional, lo que requiere dispositivos especiales de "diagnóstico", que se estudian en un campo especial de la tecnología llamado técnica dYagnosticoYVaya.

Mayores requisitos de cultura de producción y cultura de mantenimiento de equipos digitales. A su vez, esto estimula la necesidad de mejorar las calificaciones del personal de servicio y exige que estén altamente calificados.

Un análisis comparativo de las ventajas y desventajas enumeradas da conclusión a favor medios tecnicos tecnología digital. Por lo tanto, en la actualidad, los dispositivos digitales se están introduciendo ampliamente en áreas aparentemente tradicionales de la tecnología analógica: televisión, comunicación telefónica, en tecnología de grabación de sonido, ingeniería de radio, en sistemas automáticos de control y regulación.

1. Fundamentos de la tecnología microelectrónica

1.1. Conceptos básicos y definiciones.

Microelectrónica el principal campo de la electrónica, que estudia los problemas de diseño, investigación, creación y aplicación de dispositivos electrónicos con un alto grado de funcional Y construyeVNoé integración.

Producto microelectrónico, implementado mediante tecnología integrada y que realiza una función específica de conversión y procesamiento de señales, se llama circuito integrado(IC) o simplemente integralbnuevo esquema(ES).

Dispositivo microelectrónico un conjunto de circuitos integrados interconectados que realizan una función completa y bastante compleja (o varias funciones) para procesar y convertir señales. Un dispositivo microelectrónico puede diseñarse estructuralmente en forma de un solo microcircuito o en varios circuitos integrados.

Bajo integración funcional comprender un aumento en el número de funciones implementadas (realizadas) por un determinado dispositivo. En este caso, el dispositivo se considera como entero, indivisible. A constructivomigracia Es un aumento en el número de componentes de un dispositivo, considerado como entero. Un ejemplo de un dispositivo microelectrónico con alto grado integración constructiva y funcional, es miAroprocesador(ver arriba), que, por regla general, se realiza en forma de un IC "grande".

diseño de circuito es parte de la microelectrónica, cuyo tema es métodos de construcción dispositivos para diversos fines a microohesquemas de amplia aplicación. el tema diseño de circuitos digitales son métodos para construir (diseñar) dispositivos utilizando únicamente circuitos integrados digitales.

Características de los circuitos digitales. es amplia aplicación Describir los procesos de funcionamiento de los dispositivos. formal o lenguajes naturales formales y en base a ellos métodos de diseño formalizados. Los lenguajes formales son álgebra booleana(álgebra de la lógica, álgebra de Boole) y el lenguaje de las funciones lógicas "automáticas" álgebra de estados y eventos. Gracias al uso de métodos formalizados se consigue multivarianza Al resolver problemas aplicados, se hace posible. elección óptima de soluciones de circuitos según uno u otro criterio.

Métodos formales se caracterizan por un alto nivel de abstracción, descuido de las propiedades particulares del objeto descrito. Se centra sólo en patrones generales en conexiones mutuas entre los componentes de su objeto componentes. Estas “regularidades”, por ejemplo, incluyen las reglas de las operaciones aritméticas en el álgebra de números (reglas de suma, resta, multiplicación, división). Al mismo tiempo, se distraen del significado de los números (ya sea el número de manzanas, de mesas, etc.). Estas reglas están estrictamente formalizadas; también están formalizadas las reglas para obtener expresiones aritméticas complejas, así como los procedimientos para calcular dichas expresiones. En tales casos dicen, formales son y sinorteesoAhermana Y gramática del idioma descripciones.

En los lenguajes naturales formales, la sintaxis está formalizada y la gramática (reglas para construir expresiones complejas) está sujeta a la gramática de un lenguaje natural, por ejemplo, el ruso o el inglés. Ejemplos de tales lenguajes son varios lenguajes de descripción tabular. En particular, la base teórica para describir los dispositivos digitales es la "Teoría de los autómatas finitos" o "Teoría de los dispositivos de retransmisión y los autómatas finitos".

1.2. Clasificación de dispositivos microelectrónicos.

Toda la variedad de dispositivos microelectrónicos (MED) se puede clasificar según varios criterios:

por el principio y naturaleza de la acción;

por finalidad funcional y funciones desempeñadas;

por tecnología de fabricación;

por área de aplicación;

Por diseño y especificaciones técnicas, etc.

Consideremos ahora con más detalle la división de MEU según criterios de clasificación.

Según el principio(personaje) comportamiento todos los MEU se dividen en esAguaridas y digitales. Los conceptos de dispositivos analógicos y discretos, incluidos los digitales, ya se han descrito anteriormente. Aquí observamos que si en dispositivos discretos todas las señales toman solo dos valores condicionales de cero lógico (log.0) y uno lógico (log.1), entonces los dispositivos se llaman lógico. Como regla general, todos los dispositivos digitales se clasifican como dispositivos lógicos.

Dependiendo de las funciones realizadas ( propósito funcional) se distinguen los siguientes dispositivos microelectrónicos:

I. Analógico

1.1. Dispositivos de amplificación (amplificadores).

1.2. Convertidores funcionales que realizan operaciones matemáticas sobre señales analógicas (por ejemplo, integración, diferenciación, etc.).

1.3. Transductores de medida y sensores de cantidades físicas.

1.4. Moduladores y demoduladores, filtros, mezcladores y generadores de armónicos.

1.5. Dispositivos de almacenamiento.

1.6. Estabilizadores de voltaje y corriente.

1.7. Circuitos integrados para fines especiales (por ejemplo, para procesar señales de radio y vídeo, comparadores, interruptores, etc.).

II. AAM digitales

2.1. Elementos lógicos.

2.2. Encriptadores, descifradores de códigos y conversores de códigos.

2.3. Elementos de la memoria (disparadores).

2.4. Dispositivos de almacenamiento (RAM, ROM, PROM, PLM, etc.).

2.5. Dispositivos aritmético-lógicos.

2.6. Selectores, modeladores y generadores de impulsos.

2.7. Dispositivos de conteo (contadores de pulsos).

2.8. Comparadores digitales, interruptores. señales discretas.

2.9. Registros.

2.10. Microcircuitos para fines especiales (por ejemplo, temporizadores, kits de circuitos integrados de microprocesadores, etc.).

La clasificación anterior está lejos de ser exhaustiva, pero nos permite concluir que la gama de dispositivos digitales es mucho más amplia que la gama de MEA analógicos.

Además de los enumerados, existen microcircuitos convertidores de nivel de señal, por ejemplo, disparadores Schmitt, en los que las señales de entrada son analógicas y las señales de salida son discretas, binarias. Estos microcircuitos ocupan una posición intermedia. De manera similar, analógico a digital y convertidores de digital a analógico(ADC y DAC), los interruptores de señales analógicas controlados por señales discretas deben clasificarse como MEA "intermedios".

Dependiendo del número de funciones implementadas, existen unoohfuncional(sencillo) y multifuncional(complejo) MEU. En los dispositivos multifunción, se pueden realizar funciones. simultáneamente o secuencialmente a tiempo. Dependiendo de esto, en el primer caso los dispositivos se denominan dispositivos de acción “paralela”, y en el segundo caso, dispositivos de acción secuencial o “secuencial”. Si un dispositivo multifuncional está configurado para realizar una función particular mediante la conmutación de entradas (reconexión física de circuitos eléctricos), dicho dispositivo se denomina dispositivo con " lógica dura" trabajar. Y si los cambios en las funciones realizadas se realizan utilizando señales externas adicionales (en las llamadas entradas de control), entonces dichos MEA deberían clasificarse como "controlados por software". Por ejemplo, los circuitos integrados de unidades aritméticas lógicas (ALU) pueden implementar operaciones aritméticas o lógicas con dos números binarios de varios bits. Y la configuración para realizar operaciones aritméticas (o lógicas) se realiza mediante una señal externa adicional, dependiendo de cuyo valor se realizarán las acciones deseadas. Por lo tanto, las ALU deben clasificarse como MEU controladas por software.

Según la tecnología de fabricación. Todos los circuitos integrados se dividen en:

Semiconductor;

Película;

Híbrido.

EN semiconductor Todos los componentes y conexiones del IC se realizan en el volumen y en la superficie del cristal semiconductor. Estos circuitos integrados se dividen en bYpolar microcircuitos (con polaridad fija de voltajes de suministro) y en unipolar con la capacidad de cambiar la polaridad de la tensión de alimentación. Dependiendo del diseño del circuito " contenido interno» chips bipolares se dividen en los siguientes tipos:

Lógica transistor-transistor TTL;

Lógica transistor-transistor TTLsh con transistores y diodos Schottky;

Lógica ESL acoplada al emisor;

Lógica de inyección I2L y otros.

Los microcircuitos de tecnología unipolar se fabrican sobre transistores MOS ("semiconductor dieléctrico de metal"), o sobre transistores MOS ("semiconductor de óxido de metal"), o sobre transistores CMOS ("semiconductor de óxido de metal" complementario).

EN película En un circuito integrado, todos los componentes y conexiones se realizan únicamente en la superficie del cristal semiconductor. Distinguir película delgada(con un espesor de capa inferior a 1 micrón) y película gruesa con un espesor de película de más de una micra. Los circuitos integrados de película delgada se fabrican mediante deposición térmica al vacío y pulverización catódica, mientras que los circuitos integrados de película gruesa se fabrican mediante serigrafía seguida de quema de aditivos.

Híbrido Los circuitos integrados constan de componentes "simples" y "complejos" ubicados en el mismo sustrato. Como componentes complejos se suelen utilizar chips CI semiconductores o de película. Los simples incluyen componentes electrónicos discretos (transistores, diodos, condensadores, inductores, etc.). Todos estos componentes se ubican estructuralmente sobre un mismo sustrato y también se realizan sobre él. conexiones electricas entre ellos. Además, un sustrato con los componentes ubicados en él forma una "capa" de un CI híbrido. Distinguir monocapa Y multicapa CI híbridos. El CI híbrido multicapa es capaz de realizar funciones de procesamiento de señales bastante complejas. Un microcircuito de este tipo equivale en acción a un "microbloque" de dispositivos o, si está destinado a un uso independiente, a la acción de un bloque "completo".

Además, cualquier microcircuito se evalúa cuantitativamente. espectáculoAtelecomunicaciones su complejidad. Como tal indicador, “ grado integración» k, igual al logaritmo decimal de la cantidad total norte componentes colocados en un chip semiconductor, es decir

k = lq norte. (1)

De acuerdo con la fórmula (1), todos los microcircuitos se dividen en microcircuitos del primer, segundo, tercer, etc., grados de integración. El grado de integración caracteriza solo indirectamente la complejidad de los microcircuitos, ya que solo tiene en cuenta constructivo integración. De hecho, la complejidad del microcircuito también depende del número de conexiones mutuas entre los componentes.

En la práctica de la ingeniería se utiliza. característica de calidad Complejidad de los microcircuitos en términos de CI "pequeños", "medianos", "grandes" y "ultragrandes".

La Tabla 1.1 proporciona información sobre la correspondencia mutua de medidas cualitativas y cuantitativas de complejidad de SI por sus tipos.

Tabla 1.1

nombre de IP		Tecnología de fabricación	Número de componentes en chip	Grado de integración k
Pequeño (MIS)	Digital	Bipolar
		unipolar
	Cosa análoga	Bipolar
Promedio (SIS)	Digital	Bipolar
		unipolar
	Cosa análoga	Bipolar
		unipolar
Grande (BIS)	Digital	Bipolar
		unipolar
	Cosa análoga	Bipolar
		unipolar
Extra grande (VLSI)	Digital	Bipolar
		unipolar	Más de 10000
	Cosa análoga	Bipolar
		unipolar

Del análisis de la Tabla 1.1 se desprende que, en comparación con los circuitos integrados digitales, los microcircuitos analógicos con los mismos grados de integración tienen más de tres veces menos componentes (en un chip semiconductor). Esto se explica por el hecho de que los componentes activos (transistores) de un microcircuito analógico funcionan en modo lineal y disipar más energía. La necesidad de eliminar el calor generado por la disipación de energía limita la cantidad de componentes colocados en un solo chip. En los microcircuitos digitales, los componentes activos funcionan en modo clave(Los transistores están bloqueados o abiertos y en modo de saturación). En este caso, la disipación de potencia es insignificante y la cantidad de calor generado también es insignificante y por lo tanto se puede colocar mayor número de componentes en el chip. (Las dimensiones de los cristales están estandarizadas y limitadas). Con la tecnología unipolar, el volumen del cristal ocupado por un transistor de efecto de campo es aproximadamente tres veces menor que el volumen ocupado por transistores bipolares (norte- pag- norte o pag- norte- pag tipo). Esto explica el hecho de que se pueden colocar más componentes activos en un chip de tamaños estándar en un microcircuito unipolar.

Por diseño Según la complejidad funcional, los dispositivos microelectrónicos se dividen en:

a microcircuitos simples (IC);

para microconjuntos;

a microbloques.

CI Producto microelectrónico fabricado en tecnología unificadaohciclo lógico, adecuado para uso independiente o como parte de productos más complejos (incluidos microconjuntos y microbloques). Los microcircuitos pueden estar sin marco y tener una carcasa individual que protege el cristal de influencias externas.

Microensamblaje un producto microelectrónico que realiza una función (funciones) bastante compleja y consta de componentes y microcircuitos eléctricos y de radio, fabricados con el fin de miniaturizar equipos electrónicos. Básicamente, los chips híbridos son microensamblajes. El microconjunto más simple puede ser, por ejemplo, un conjunto de microresistencias fabricadas sobre un cristal semiconductor y alojadas en un solo paquete (como un microcircuito).

Microbloque También es un producto microelectrónico, que consta de componentes eléctricos y de radio y circuitos integrados y realiza una(s) función(es) compleja(s).

Como regla general, los microconjuntos y microbloques se fabrican en diferentes ciclos tecnológicos y, quizás, en diferentes plantas de fabricación.

Como características técnicas de clasificación usualmente usado consumo de energía(un chip) y rápidothefecto.

Por consumo de energía Todos los circuitos integrados se pueden dividir en: A) microohpoderoso(menos de 10 mW); b) baja potencia(no más de 100 mW); V) potencia media(hasta 500 mW) Y GRAMO) poderoso(más de o = 0,5 W.).

Por velocidad(retrasos de tiempo máximos para la propagación de la señal a través del IC), los microcircuitos se dividen condicionalmente en: A) ultrarrápido con frecuencia de corte F g conmutaciones superiores a 100 megahercio; b) de acción rápida ( F g de 50 megahercio hasta 100 megahercio); V) velocidad normal ( F gramos a partir de 10 megahercio hasta 50 megahercio). En este caso, los retrasos en la propagación son del orden de unos pocos nanosegundos (10-9 Con.) hasta 0,1 microsegundos (1s =10-6 Con.).

Dispositivos microelectrónicos digitales, incluidos microcircuitos y otros. dispositivos de acción discreta, conveniente para clasificar Por incógnita A naturaleza de la adicción señales de salida a partir de señales de entrada. Como es habitual en la teoría de las máquinas de estados finitos. De acuerdo con esta característica, todos los dispositivos generalmente se dividen en combinacional Y secuencial.

EN dispositivos combinacionales los valores de las señales de salida en cualquier momento están determinados únicamente por los valores señales de entrada en el mismo momento en el tiempo. Por tanto, podemos suponer que el funcionamiento de dichos dispositivos no depende del tiempo. También se les llama dispositivos “sin” memoria», ciclo único Dispositivos o dispositivos de simple efecto. En la teoría de máquinas de estados finitos, los dispositivos combinacionales se denominan "máquinas de estados finitos primitivas".

EN dispositivos seriales los valores de las señales de salida (señales de salida) dependen de los valores de las señales de entrada no solo en el momento considerado, sino también de los valores de las señales de entrada en momentos anteriores. Por lo tanto, estos dispositivos se denominan dispositivos con " memoria», multiciclo dispositivos, pero en la teoría de máquinas de estados finitos, ¿simplemente? máquina de estados finitos(no trivial).

Al considerar el material educativo, en el futuro, para principal tomemos este clasificación, porque métodos de construcción(síntesis) y procesos de funcionamiento de los dispositivos nombrados significativamente diferenteAhay.

Al concluir la presentación de las cuestiones de clasificación, observamos que la lista dada de características de clasificación y la lista de nombres de productos microelectrónicos (chips) está lejos de ser exhaustiva. En el futuro, según sea necesario, agregaremos a esta lista.

1.3. Elementos lógicos

Elementos lógicos Pertenecen a los "dispositivos" combinacionales más simples, que tienen una salida y una o dos entradas. Obtuvieron su nombre porque su funcionamiento se puede describir completamente. funciones lógicas y en particular funciones booleanas.

Como en la lógica formal, todas las afirmaciones pueden ser verdaderas o falsas, y las funciones lógicas pueden tomar sólo dos valores condicionales: uno lógico (log.1) "verdadero" y cero lógico (log.0) "falso".

Al describir el trabajo elementos lógicos señales de salida poner en correspondencia uno a uno funciones, A señales de entrada argumentos estas funciones. Por tanto, tanto las funciones como los argumentos de las funciones, así como las señales de entrada y salida de las puertas lógicas, son binarios. si te descuidas tiempo real transición de un elemento lógico de un estado (estado log.1) a otro (estado log.0), entonces ni los argumentos ni las funciones dependerán del factor tiempo de la variable tiempo. Se consideran reglas para obtener y convertir expresiones lógicas. álgebra de la lógica o booleanoálgebra.

Funciones lógicas básicas en el álgebra de la lógica se acepta generalmente funciones de dos argumentos. Se les dan nombres, se introducen símbolos lógicos para designar las operaciones lógicas correspondientes cuando se escriben en forma algebraica, y estos símbolos también se utilizan en los símbolos gráficos (GSD) de elementos lógicos en la documentación de circuitos.

Antes de considerar directamente los tipos de elementos lógicos, consideremos primero la cuestión general del sistema de notación para microcircuitos que contienen elementos lógicos. Estos microcircuitos pertenecen a microshmimadres de bajo grado de integración.

1.3.1. Sistema de designaciones alfanuméricas convencionales de elementos lógicos IC.

En la literatura técnica nacional, así como al marcar circuitos integrados de producción nacional, durante su fabricación en las plantas de fabricación, se adopta una forma de designaciones de microcircuitos de 4 elementos (Fig. 1.1).

Primero elemento en la notación es número , que indica el grupo de diseño y ejecución tecnológica del IP. Esta cifra puede tomar los siguientes valores:

1, 5, 6, 7 corresponden a circuitos integrados de semiconductores. Además, el número 7 se utiliza para designar únicamente circuitos integrados sin empaquetar;

2, 4, 8 son microcircuitos híbridos;

Otros 3 microcircuitos, incluidos los de película.

El primer elemento de la designación puede ir precedido de una o dos letras (del alfabeto ruso, no son obligatorias, pero indican el tipo y material de la carcasa del microcircuito y las posibilidades de su aplicación); Por ejemplo, la carta A representar microcircuitos amplia aplicación V plástico caso del primer tipo. Existen microcircuitos para aplicaciones especiales, por ejemplo, para dispositivos que funcionan en climas tropicales.

Segundo elemento 2 o 3 dígitos, indican ordinal número serie microcircuitos Todo el conjunto de microcircuitos producidos por la industria nacional se divide en serie. Serie Un CI es un conjunto de circuitos integrados de un solo diseño y diseño tecnológico que realizan diversas funciones y están destinados a un uso conjunto.

Tercero elemento en la designación están dos rusos letras, la primera de las cuales denota un subgrupo de IC por finalidad funcional, y la segunda letra corresponde al tipo de IC también por finalidad funcional del microcircuito. Por ejemplo, la primera letra l"dice" que se trata de un IC de puerta lógica (subgrupo lógicas), segunda letra A Corresponde a elementos lógicos de la forma. Y-NO. La Tabla 1.2 muestra los códigos de letras más comunes de los tipos de SI según las funciones desempeñadas.

Y finalmente, 4to. elmipolicía en las designaciones de microcircuitos son uno o dos números , indicando el número condicional del microcircuito de la serie en cuestión. Así, el ejemplo de designación que se muestra en la Fig. 1.1 corresponde a la designación de un microcircuito semiconductor ampliamente utilizado de la serie K155, en una caja de plástico del primer tipo. Consta de 4 elementos lógicos de dos entradas del tipo Y-NO (2Y-NOT).

Por lo general, el cuarto elemento en la designación del IC "cifra" el número de serie de la modificación de elementos del mismo tipo, diferenciándose en el número de entradas y el método de "organización" de la salida.

Además de los símbolos anteriores, según GOST 2.743-91 “Símbolos gráficos convencionales en circuitos eléctricos. Elementos de tecnología digital”, se utilizan otros códigos de dos letras para indicar el propósito funcional de los microcircuitos, por ejemplo: decodificadores-demultiplexores ID, decodificadores, registros IR, interruptores CP de señales discretas, etc. En particular, la letra I corresponde a un subgrupo de microcircuitos utilizados para construir dispositivos informáticos digitales.

Las diferentes series de circuitos integrados difieren en la cantidad de microcircuitos y su nomenclatura (clasificaciones de tipo). Clasificación estándar IC es un símbolo específico que contiene información básica sobre el microcircuito. A medida que se desarrolla la tecnología, puede aumentar la cantidad de tipos de circuitos integrados de una serie en particular.

Entre la serie de microcircuitos, los circuitos integrados lógicos de transistor-transistor (TTL y TTLsh) son los más desarrollados funcionalmente. Estas series se caracterizan por una amplia gama de circuitos integrados, por lo que ilustraremos principalmente la presentación del material educativo con ejemplos de estos microcircuitos.

El GOST mencionado anteriormente también contiene designaciones gráficas convencionales de elementos lógicos y proporciona reglas para la formación de UGO de elementos y módulos lógicos más complejos. Por lo tanto, primero debe familiarizarse con el GOST especificado.

Tabla 1.2

	Designación
Elementos NAND
Elementos Y-NO/O-NO
Expansores por OR
Elementos O-NO
Elementos I
Elem. Y-O-NO/Y-O
O elementos
Elementos de OR-NOT/OR
Elementos NO
Otros artículos
Elementos Y-O-NO
Elementos Y-O

1.3.2. Usar el álgebra booleana para describir

elementos lógicos ytenjambres

Como se señaló anteriormente, el funcionamiento de los elementos lógicos. Los nts se pueden describir mediante funciones lógicas (booleanas). A su vez, las funciones lógicas se pueden definir (establecer) enumerando todas las condiciones bajo las cuales la función toma el valor log.1, es decir según las condiciones de verdad y según las condiciones de falsedad (valores log.0). De manera similar, al considerar el funcionamiento de un elemento lógico (cualquiera), podemos enumerar todas las condiciones bajo las cuales aparece una señal log.1 en la salida, o las condiciones cuando una señal log.0 está presente en la salida del elemento. Esto es principio de dualidad(dualidad) en la descripción dispositivos lógicos.

En tecnología, al describir el funcionamiento de varios dispositivos, se utiliza ampliamente el concepto de valor "activo", en contraposición al valor "inactivo" de una señal. Al mismo tiempo, bajo activo Se entiende por valor (nivel) de una señal una acción que provoca la acción deseada en la salida del dispositivo o, en otras palabras, el dispositivo tiene acciones activas sobre dispositivos externos. Por el contrario, las acciones inactivas tienen un efecto pasivo en los dispositivos externos. Así, en lógica suelen centrarse en la verdad de los enunciados, por lo que la verdad de los enunciados debe considerarse por defecto su significado activo. De manera similar, al describir dispositivos tecnicos Puede centrarse en las condiciones de su "desencadenamiento" o en las condiciones de "no desencadenamiento".

Los acuerdos en virtud de los cuales la señal log.1 se considera activa se denominan acuerdos " positivo» lógica. Por el contrario, cuando valor activo Se acepta el nivel log.0, dichos acuerdos se denominan acuerdos “ negativo» lógica. Como regla general, un nivel de señal "más alto" se toma como señal log.1 y un nivel de señal "más bajo" se toma como señal log.0. Por ejemplo, cuando se utiliza un circuito integrado TTL, se considera que la señal log.1 tiene un voltaje de al menos +2,4 EN, y el voltaje de la señal log.0 es mayor que cero, pero no más de 0,4 EN. Estos son niveles de señal estándar en dispositivos basados ​​en circuitos integrados TTL.

Descripciones elaboradas en virtud de acuerdos. lógica positiva y con acuerdos lógica negativa, lógicamente equivalente, ya que describen el mismo dispositivo. Sin embargo complejidad técnico realYciones Los dispositivos lógicos, dependiendo del acuerdo elegido, pueden resultar ser significativamente diferente. Por tanto, siempre surge el problema de elegir un método de descripción para obtener la solución técnica más sencilla.

Como ya se mencionó, las funciones principales del álgebra de la lógica son funciones de dos variables. Puede componer estas funciones de forma puramente formal, dando a los argumentos todo tipo de valores (combinaciones de sus valores) y luego dar a las funciones también todo tipo de valores. Dado que tanto los argumentos como las funciones sólo pueden tomar dos valores, no es difícil determinar el número de combinaciones formadas por argumentos y el número de todas las funciones posibles. Sea el número de argumentos norte, y el número de sus combinaciones. norte, Entonces

norte = 2norte. (1.1)

El número de todas las funciones lógicas posibles se puede calcular mediante la fórmula

METRO = 2norte = . (1.2)

Como puede verse en la fórmula (1.2), el número de funciones booleanas (lógicas) crece rápidamente a medida que aumenta el número de argumentos. norte. si, cuando norte=2 obtenemos norte=22=4, y METRO=24=16, es decir dieciséis funciones lógicas de dos argumentos.

en la mesa 1.3 muestra los nombres y designaciones de funciones, sus significados en un conjunto particular de valores de argumentos. a Y b, así como expresiones algebraicas de estas funciones en forma normal perfecta disyuntiva(DSNF) y forma normal perfecta conjuntiva(KSNF).

Del análisis de esta tabla se deduce que entre las muchas funciones dadas hay funciones constantes Funciones “cero” y “uno”, “repetición” e “inversión” (NO funciones) de variables de entrada a Y b, que en realidad son funciones uno argumento, y hay funciones que depende significativamente de dos argumentos.

En las expresiones algebraicas anteriores, el signo + (más) indica la operación de suma (disyunción) lógica, la barra sobre una variable o sobre una expresión lógica indica la operación de inversión y se omiten los símbolos de multiplicación lógica (producto).

Tabla 1.3

Funciones lógicas de dos argumentos.

No.	Nombre de la función	Valores de función para valores de argumento	Designación	Formas algebraicas de funciones.
	Cero
	Prohibición b					ab
	Estafa Cruce (yo)					a&b o ab
	Repetir ción A
	Prohibición A					ba
	Desigual significado					ab
	Repetir ción b
	diz conjunción (función O)					a+b		a+b
	Perforar (O-NO)
	inversiónb(NO)
	raven significado
	implícito icación b					ba
	inversiónA
	Schaeffer (Y-NO)
	implícito icación A					ab
	Unidad privado

Las funciones constantes en realidad expresan independencia de los argumentos y, al mismo tiempo, pueden considerarse “funciones” de gran número argumentos. tenga en cuenta cero la función no tiene un DSNF porque nunca toma el valor log.1, y soltero la función no tiene KSNF, ya que nunca toma el valor log.0. De ello se deduce que el DSNF corresponde a descripción(asignación) de funciones lógicas según condiciones de verdad(según log.1), y KSNF bajo condiciones de falsedad(log.0). Cualquier función lógica, excepto las funciones constantes, tiene DSNF y CSNF. Esto corresponde al hecho de que cualquier dispositivo lógico (sin importar cuán complejo sea) puede describirse mediante condiciones desencadenantes y condiciones no desencadenantes.

Los valores de las funciones de “repetición” e “inversión” (V3, V6, V9, V12) repiten los valores de uno de los argumentos o toman valores opuestos (inversos). Por eso obtuvieron esos nombres.

Funciones de inversión se denominan con mayor frecuencia funciones NOT. Estas funciones NO se implementan mediante puertas (o inversores). Las funciones de repetición son implementadas por repetidores. Se acostumbra decir que las funciones de inversión y repetición " inmaterial» dependen del segundo argumento, aunque pueden representarse como funciones de dos, tres o más argumentos.

En tecnología, las funciones de “Disparidad” y “Equivalencia” se conocen mejor como “suma módulo dos (mod 2)” y “suma inversión mod 2”, respectivamente. Las funciones de Schaeffer y Peirce se conocen respectivamente como “inversa de un producto lógico” (funciones NAND) y “inversión de una suma lógica” (OR-NOT). Estas funciones se implementan mediante elementos lógicos del mismo nombre.

En álgebra booleana y posteriormente en expresiones lógicas, se acostumbra denotar funciones en mayúsculas alfabeto latino y argumentos funciones minúscula(pequeño) letras el mismo alfabeto.

1.3.3. Métodos y formas para especificar funciones lógicas.

Al describir dispositivos lógicos, resulta que el método de especificar (definir) funciones lógicas y la forma de su presentación influyen significativamente en la dificultad de lograr resultado final. Dependiendo del objetivo, los métodos de especificación y la forma de presentación de funciones pueden ser diferentes. Por ejemplo, cuando se construyen dispositivos lógicos en memorias programables de sólo lectura (PROM), las formas algebraicas de funciones lógicas son indeseables y poco prácticas. Sin embargo, al construir dispositivos en microcircuitos con un bajo grado de integración, en circuitos integrados de elementos lógicos, se requieren formas algebraicas mínimas de funciones lógicas, ya que de lo contrario es imposible garantizar costos mínimos de hardware. Por tanto, la elección del método de asignación depende del propósito previsto al describir los dispositivos.

Distinguir tabular, matriz, gráfico Y analítico métodos de asignación.

En tabular Las tareas utilizan el llamado " mesas yConpequeñez» funciones lógicas, en las que los valores de las funciones se indican en todo el conjunto de combinaciones de sus argumentos. Por tanto, el número de columnas en la tabla de verdad está determinado por el número de argumentos y el número de funciones, y el número de filas está determinado por la fórmula (1.1). Las tablas de verdad se utilizan para una familiarización general con el funcionamiento de dispositivos combinacionales cuando el número de entradas (argumentos de función) y el número de salidas (número de funciones) no excede 4. Las tablas de verdad se vuelven engorrosas con un mayor número de argumentos y, por tanto, son de poca utilidad para el análisis. Usando tablas de verdad, es bastante fácil encontrar formas algebraicas de funciones en DSNF o KSNF, pero no son adecuadas para buscar formas algebraicas mínimas.

Matriz forma de especificar (o especificar funciones usando bulevarmimatrices de salida) se basa en una visualización gráfica del conjunto completo de combinaciones de argumentos de función en un "plano" (en un espacio bidimensional). El concepto de "matrices booleanas" fue introducido por A.D. Zakrevsky, también le ofrecieron matriz visual Método para minimizar funciones lógicas. En la literatura extranjera, este método de especificar y minimizar funciones lógicas se conoce como el "método de especificar y minimizar usando mapa de carnot" (El concepto de “matrices” utilizado en matemáticas no debe confundirse con el concepto de “matrices booleanas”). Junto con el concepto booleano matrYtsa en lo que sigue se utilizará el concepto mapa de carnot, ya que los conceptos son sinónimos.

Una matriz booleana es un rectángulo con una relación de aspecto de 1:2 (para un número impar de argumentos de función) o un cuadrado (para un número par de argumentos), dividido en cuadrados elementales (celdas). El número de celdas de la matriz es siempre múltiplo de una potencia de dos y está determinado por la fórmula (1.1). Por tanto, el número de cuadrados elementales es igual a conjunto completo combinaciones hechas a partir de argumentos de función. Arriba a la derecha Y lado izquierdo matrices, corchetes rectangulares o una línea recta continua marcan las áreas de valores de argumentos únicos (Fig. 1.2). Además, estos corchetes están marcados con identificadores de argumentos, que se colocan debajo del corchete o a la derecha (abajo) de los corchetes. Convencionalmente, se cree que el área limitada por el paréntesis es el área de valores únicos del argumento, y fuera de esta área el argumento tiene un valor cero. Así, el mapa de Karnaugh etiquetado está, por así decirlo, “codificado” mediante combinaciones de argumentos. En este caso, cada celda corresponderá a una combinación muy específica de argumentos de función. El mapa en sí está marcado. identificador de función abajo o bien.

Para configurar una función con una tarjeta, debe colocar los valores de esta función (0 o 1, o ~) en las celdas correspondientes.

Así, la figura 1.2 muestra mapas de Carnaugh para funciones con 4, 5 y 6 argumentos.

En particular, las funciones X e Y están completamente especificadas, pero la función Z está subdeterminada, ya que junto con los valores fijos 1 y 0, las celdas muestran valores "condicionales" marcados con el símbolo ~ (el símbolo tipográfico de tilde ). Condicional Los valores de funciones lógicas se utilizan en los casos en que no se pueden determinar valores específicos (0 o 1) de antemano. Tales casos surgen, por ejemplo, cuando se sintetizan dispositivos de acuerdo con condiciones no especificadas por completo, o cuando, por alguna razón, no pueden surgir combinaciones de argumentos correspondientes a celdas con el símbolo ~. En el proceso de encontrar expresiones lógicas mínimas de funciones indeterminadas, estos valores condicionales se definen con los valores 1 o 0, intentando obtener las expresiones algebraicas más simples.

En principio, la forma matricial de especificar funciones lógicas es más conveniente para buscar formas algebraicas mínimas de funciones de hasta 10 (o más) argumentos. La secuencia de construcción de un mapa de Karnaugh para funciones con una gran cantidad de argumentos se puede entender comparando la Fig. 1.2, A con fotos 1.2, b Y V.

Gráfico el método para especificar funciones lógicas se basa en el uso norte-cubos dimensionales. La dimensión de un cubo está determinada por el número. norte argumentos de función, por ejemplo, una función de tres argumentos se puede especificar como un cubo tridimensional, cada vértice del cual corresponde cierta combinación argumentos. Para definir una función utilizando un cubo tridimensional, los vértices del cubo se etiquetan en consecuencia. Este método no se usa mucho y no lo usaremos.

Analítico El método de especificación de funciones es el más utilizado para encontrar. diagramas funcionales dispositivos sintetizados. Gracias a los símbolos gráficos convencionales (CG) de elementos lógicos, es posible pasar adecuadamente de una expresión algebraica a un diagrama funcional y, a la inversa, utilizar el diagrama funcional para obtener una expresión algebraica de una función que describe la señal de salida de el dispositivo. Además, utilizando las leyes y consecuencias del álgebra lógica, se pueden realizar transformaciones equivalentes de expresiones lógicas y, así, obtener nuevas versiones de diagramas funcionales.

En álgebra de Boole, se distinguen varios tipos de formas algebraicas de funciones, en particular, en la Tabla 1.3 se dan dos formas DSNF y KSNF; El primero se obtiene cuando la función está determinada por las condiciones de verdad (por 1), y el segundo cuando la función está determinada por “ceros”.

Por ejemplo, la función X, dado por el mapa Fig.1.2, A, tendrá las siguientes formas perfectas:

Como puede verse en la Fig. 1.2, A, y de las expresiones (1.3) y (1.4), se deduce que la función toma el valor "1" si un número impar de argumentos toma el valor log.1, en caso contrario toma el valor "0". Estas funciones se implementan mediante circuitos "pares/impares" o elementos lógicos de "suma mod2". Si usamos el símbolo para la suma mod2 (función de disparidad V5 en la Tabla 1.3), entonces podemos escribir

incógnita = a b do d. (1.5)

Esta expresión es más corta y equivale a la expresión (1.3). Tenga en cuenta (Fig. 1.2, A), la función suma mod2 y su inversión corresponden al “patrón de ajedrez” en el mapa de Karnaugh. Esto se puede utilizar en el futuro cuando se busquen otras formas algebraicas de funciones lógicas. Por cierto, estas funciones no tienen características normales. mínimo formas disyuntivas y conjuntivas de MDNF e ICNF.

Consideremos los circuitos integrados de elementos lógicos de uso frecuente y utilizaremos varias formas de descripción de las funciones lógicas implementadas por estos elementos.

1.3.4. NO puertas

Estos son los elementos más simples y tienen una entrada y una salida. Dichos elementos se describen mediante la función lógica de negación e inversión y simplemente se denominan funciones NOT. La Figura 1.3 muestra la UGO de elementos HE recomendados por GOST. Como puede ver, el puntero de inversión se puede colocar en la salida o en la entrada del elemento lógico. Según GOST, no se puede colocar la marca de función principal "1" en el campo principal de la UGO.

La expresión algebraica para la función de inversión tiene la forma

incógnita =

y dice “no A" La señal de salida del elemento NOT siempre toma el valor opuesto respecto a los valores de la señal de entrada. Hay varios tipos de elementos lógicos de CI, que se diferencian en la forma en que se organiza la salida. Por ejemplo, en el IC de la serie K155 hay microcircuitos K155LN1 que contienen 4 elementos NO lógicos con capacidad de carga estándar. NO existen elementos con mayor capacidad de carga, pero todos están descritos por la misma expresión lógica.

Los elementos lógicos “repetidores” también tienen una entrada y una salida, pero la señal de salida repite el valor de la señal de entrada. Estos elementos se utilizan para "desacoplar" las salidas de los elementos lógicos y aumentar su capacidad de carga.

1.3.5. Y puertas

Estos elementos implementan la función de multiplicación lógica (conjunción). Las funciones son al menos dobles o multiplaza y se describen mediante las siguientes expresiones lógicas:

incógnita = a&b = ab = a· b = ab. (1.6)

Los símbolos de conjunción & y pueden reemplazarse por un punto o omitirse por completo. Salida del elemento Y toma el valor log.1 sólo si todas las señales de entrada toman el valor log.1. La Fig. 1.4 muestra símbolos gráficos y mapas de Carnaugh para dos entradas (Fig. 1.4, A Y b) y tres entradas (Fig. 1.4, V Y GRAMO) elemento lógico Y.

Fig.1.4. Designaciones gráficas convencionales de elementos Y: dos entradas ( A),

tres entradas ( V), mapas de funciones lógicas de Carnaugh 2I ( b) y 3I ( GRAMO)

Como puede verse en las matrices booleanas anteriores, la conjunción es igual a log.1 solo en el único caso en que todos los argumentos y el primero, Y segundo, Y tercero Y etc. tomar simultáneamente el valor log.1. Por lo tanto, tales elementos se llaman patrones coincidentes, el nombre "conjuntores" es menos común y las funciones que los describen son a veces funciones I. En la serie IC se producen varios elementos lógicos. Y, por ejemplo, el microcircuito K155LI1 contiene 4 elementos 2I (dos entradas). La diferencia es diferentes numeros entradas para diversos elementos.

Como se muestra en la Fig. 1.4, b y la figura 1.4, GRAMO ilustrado por matrices reglas lógicas de multiplicación, y los UGO mostrados corresponden Estoy de acuerdomiprincipios de la lógica positiva.

Gracias a las leyes conmutativas y combinacionales que son válidas en el álgebra booleana, entradas elementos lógicos de múltiples entradas Y son lógicamente equivalente y un elemento lógico de múltiples entradas Y se puede obtener a partir de varios elementos de dos entradas Y. Entonces, en la Fig. 1.5 verás

Tenemos dos opciones para construir un elemento lógico. Y con seis entradas (6I) en elementos de dos entradas Y(2I).

Todos los circuitos mostrados en la Fig. 1.5 son lógicamente equivalentes y, a su vez, son equivalentes a la designación gráfica convencional de un elemento lógico de 6 entradas. Y(Figura 1.5, V). Al mismo tiempo, los circuitos se describen mediante expresiones lógicas que difieren en la forma de notación:

incógnita = ((((a· b)· do)· d)· k)· metro? diagrama fig. 1,5, A; (1.7)

Y = ((ab)·(cd))·( kilómetros) ? diagrama fig. 1,5, b; (1.8)

y la siguiente expresión corresponde al símbolo del elemento 6I:

z = abcdkm. (1.9)

Aunque, de acuerdo con las leyes mencionadas del álgebra de Boole, cambiar la ubicación de los factores no cambia el producto lógico y no es necesario colocar paréntesis en las expresiones del producto lógico, sin embargo, las expresiones (1.7), (1.8) y (1.9) llevar información sobre formas de construir esquemas. Así, las expresiones indicadas pueden considerarse “modelos lógico-matemáticos” de los circuitos dados, incluido el UGO del elemento 6I.

Cabe señalar que al describir dispositivos combinacionales lógicos utilizando expresiones booleanas, por regla general, se abstrae el factor tiempo. Esta descripción corresponde a la descripción de dispositivos en condiciones estáticas con valores estables de señales de entrada (y variables). Se cree que los cambios en las señales de entrada y salida ocurren instantáneamente y, de manera similar, los valores de los argumentos y los valores de las funciones lógicas cambian. Al mismo tiempo, los elementos reales tienen un tiempo de transición finito de un estado a otro o, como dicen, tienen un tiempo finito (distinto de cero) de propagación de señales desde las entradas a la salida de un elemento o dispositivo. Teniendo esto en cuenta, se debe dar preferencia al diagrama de la Fig. 1.5, b, en el que el tiempo de propagación de las señales desde las entradas etiquetadas con argumentos de función hasta la salida del circuito es en promedio más corto. La fuente contiene información sobre funciones lógicas de temporización que se pueden utilizar para describir circuitos con retardos de tiempo.

1.3.6. O puertas

O implementar puertas lógicas suma lógica múltiples señales binarias (y variables de entrada). La función que describe dichos elementos se llama disyunción o función complejo lógicominia. La Figura 1.6 muestra los símbolos (UGO) de los elementos OR y los mapas de Carnaugh de las funciones que los describen.

Expresión algebraica para la suma lógica de dos variables. a Y b escrito de la siguiente manera

incógnita = a b = a + b. (1.10)

En álgebra booleana, se utiliza un símbolo para representar una disyunción. En sus aplicaciones técnicas se suele utilizar el signo + (de la suma aritmética), pero sólo cuando ello no conduce a incorrección al escribir fórmulas y expresiones lógicas. (Este signo se utilizará principalmente para indicar disyunción).

Como puede verse en los mapas de la Fig. 1.6, b y la figura 1.6, GRAMO, la función de suma lógica toma el valor log.0 solo en el único caso en que todos los argumentos toman el valor log.0. Tiene un valor de log.1 si el primer argumento o segundo, o tercero, etc., o todos juntos los argumentos toman el valor log.1. Por lo tanto, esta función se llama función O.

Al igual que ocurre con la conjunción de muchas variables, a la disyunción se aplican las leyes conmutativa y combinacional del álgebra de Boole. Y la consecuencia de esto es la equivalencia lógica de las entradas de los elementos lógicos OR, así como la posibilidad de construir elementos OR de múltiples entradas a partir de elementos similares, pero con un número menor de entradas. Si en la Fig. 1.5 todos los elementos Y se reemplazan por elementos O de dos entradas (2OR), entonces todas las conclusiones extraídas con respecto a los circuitos en la Fig. 1.5 serán válidas para los circuitos obtenidos mediante dicho reemplazo. También se pueden escribir modelos lógico-matemáticos para los circuitos resultantes y el UGO del elemento 6OR, reemplazando en las expresiones (1.7), (1.8) y (1.9) todos los símbolos de multiplicación lógica por signos + (disyunciones).

Varias series de circuitos integrados tienen elementos lógicos OR. Por ejemplo, en la serie TTL este es el microcircuito K155LL1 que contiene 4 elementos 2OR;

1.3.7. Puertas NAND

Estos elementos implementan inversión de un producto lógico señales de entrada. En otras palabras, los elementos NAND se describen mediante la función de “negación de conjunción”. En álgebra booleana, estas funciones se denominan funciones de Schaeffer; para denotarlas, se introduce lo siguiente: personaje especial"? ", llamó el derrame cerebral de Schaeffer. Para facilitar la lectura, usaremos el símbolo de inversión (barra superior) encima de la expresión de conjunción para indicar las funciones de Schaeffer. Por ejemplo, la forma algebraica de escribir la función de Schaeffer de dos argumentos será la siguiente:

incógnita = a / b = = . (1.11)

En la expresión (1.11), los signos iguales corresponden a la identidad lógica de las expresiones, y el lado derecho de la expresión corresponde al CSNF de la función Y-NO (función V13 en la Tabla 1.3). Pero en general la expresión dice así: “ el inverso de un producto lógico es igual a la suma lógica de los inversos de los argumentos" Esta afirmación se conoce en álgebra booleana como ley de Morgan relativamente inversión del producto lógico(inversión de conjunción) . La Figura 1.7 muestra los símbolos gráficos del elemento 2I-NOT, su circuito funcional equivalente y el mapa de Carnot para la función en cuestión. Al comparar los mapas de Carnaugh de las funciones AND y las funciones NAND, es fácil notar que las celdas contienen valores opuestos de las funciones nombradas. Al comparar mapas con expresiones algebraicas de la función AND y la función NAND, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

Cada unidad, de pie en una celda matricial, corresponde lógico trabajar(conjunción) todos los argumentos funciones; tomado una vez con o sin el signo de inversión. Si una celda con una unidad está ubicada en el área valores de argumento único, entonces este argumento incluido en conjunción sin inversión cero dígitosAargumentos, entonces este argumento entra con un cartel ynorteversiones.

a todos cero, de pie en una celda matricial, corresponde al registroYmonto en efectivo(disyunción) de todos los argumentos de la función, tomados una vez con o sin signo de inversión. Si una celda con un cero se encuentra en el área valores de argumento único, entonces este argumento incluido en disyunción con signo de inversión. Si la celda está ubicada en el área valores de argumento cero, entonces este argumento entra sin señarestos.

Estas conclusiones tienen el carácter de reglas para encontrar DSNF (primera conclusión) y KSNF (segunda conclusión) a partir de matrices booleanas de funciones lógicas. Sólo cabe agregar que para buscar DSNF estas funciones son necesarias elmiconjunciones mentales"conectar" con símbolos disyunciones(más), y con encontrando KSNF funciones disyunciones elementales debe estar conectado por símbolos conjunciones.

Bajo conjunción elemental Se entienden las funciones lógicas. yoohproducto lógico de todos los argumentos de la función, tomados una vez con o sin signo de inversión.

Bajo disyunción elemental Se entienden las funciones lógicas. yoohla suma lógica de todos los argumentos de la función, tomada una vez con o sin signoAinversión ka.

En una serie de microcircuitos hay elementos NAND que se diferencian en el número de entradas, el número de elementos en un microcircuito y también en la forma en que está organizada la salida. Por ejemplo, el microcircuito K155LA3 contiene 4 elementos 2I-NOT con capacidad de carga estándar. El microcircuito K155LA8 contiene un elemento 8I-NOT con mayor capacidad de carga (es igual a 30 y la capacidad de carga estándar es 10).

El elemento 2I-NOT es básico para los microcircuitos de lógica transistor-transistor (TTL), es decir. este elemento forma la base para la construcción de todos los microcircuitos nombrados, incluidos los microcircuitos TTLsh.

1.3.8. Elementos O-NO

Las funciones que describen el elemento 2OR-NOT se denominan funciones de Peirce en álgebra de Boole; se les introdujo un símbolo especial (flecha de Pierce). EN aplicaciones técnicas estas funciones se denominan "inversa de una suma lógica (disyunción)" o simplemente funciones NOR. En particular, la función de Peirce de dos lugares, la función 2OR-NOT, tiene las siguientes expresiones algebraicas:

z = a b = = . (1.12)

En lo que sigue, estas funciones se indicarán mediante el símbolo de inversión encima de la expresión de suma lógica. El lado derecho de la expresión (1.12) corresponde a la afirmación de que “ la inversa de la suma lógica es al mismo tiempo producto lógico de términos, tomado de símbolos de inversión opuestos" Esta afirmación es la segunda ley de Morgan sobre la inversión de la disyunción. Según la expresión (1.12), el elemento 2OR-NOT se puede representar mediante símbolos gráficos convencionales utilizando convenciones de lógica positiva, convenciones de lógica negativa y un circuito equivalente funcional (figura 1.8).

En la versión integrada están disponibles elementos lógicos O-NO con diferente número de entradas. Un ejemplo es el microcircuito K155LE1 que contiene 4 elementos lógicos 2OR-NOT, o K155LE3 con dos elementos 4OR-NOT. Al igual que con los elementos OR, con los elementos OR-NOT, todas las entradas son lógicamente equivalentes.

1.3.9. Elementos "PROHIBICIÓN"

Estos elementos de dos entradas recibieron este nombre porque la señal de una de las entradas “prohibe” o “permite” el paso de la señal aplicada a la segunda entrada a la salida del elemento. Por lo tanto, una entrada se llama entrada de prohibición; es inversa y la segunda entrada se llama “información”. Los valores de la señal de salida coinciden con los valores de la señal de información de entrada en el estado de permiso, y en el estado de prohibición, la señal de salida tiene un valor de log.0, independientemente del valor de la señal en el entrada de información. La Tabla 1.3 muestra dos funciones de inhibición de V1 (inhibir b) y la función V4 (prohibición A). En la figura. 1.9 muestra el elemento “prohibición” de UGO A"(prohibido por A), expresión algebraica y mapa de Carnaugh de una función con el mismo nombre y un circuito equivalente funcional del elemento.

En A= 0 valor de función z coincide con el valor del argumento b.

Si A= 1 (estado inhibido) la salida del elemento tendrá constantemente una señal log.0. Entonces la entrada A es la entrada de prohibición, y la entrada b informativo. Evidentemente, a la misma UGO le corresponderá el elemento “prohibición b» entrada sólo b será inversa, y la entrada A será recto. De manera similar, en la expresión algebraica de tal función, el argumento b tendrá un signo de inversión, pero el argumento A entrará sin el signo de inversión.

Cabe señalar que los elementos de PROHIBICIÓN tienen entradas lógicamente desiguales. Esto a su vez significa que las señales de entrada no se pueden intercambiar.

Los elementos lógicos BAN se producen en una versión integrada, pero no en todas las series. Por ejemplo, en la serie K161 (en transistores MOS con r-canal) hay un microcircuito K161LP2 que contiene 4 elementos BAN con entrada común prohibición. En la figura 1.9, A Se da un símbolo gráfico convencional (UGO) que corresponde a las convenciones de la lógica positiva. Es posible componer una UGO utilizando acuerdos de lógica negativa. Para hacer esto de nuevo lado derecho Para una expresión algebraica de una función, es necesario "tomar" el signo de doble inversión y luego expandir un signo de acuerdo con la ley de De Morgan:

Por lo tanto, con convenciones de lógica negativa, el análogo del COU del elemento PROHIBICIÓN será el CCO del elemento 2OR-NOT; solo una de las entradas debe tener un indicador de inversión.

1.3.10. Elementos lógicos “sumadores mod2” y

circuitos de paridad/ paridad impar

La función lógica V5 “desequivalencia” (Tabla 1.3) toma el valor log.1 sólo cuando número impar de argumentos aceptar znAregistro de lectura.1. Dado que las funciones y los argumentos solo pueden tomar dos valores, esta función es equivalente a la suma mod2 en números binarios, que representan conjuntos binarios de valores de argumentos. Esta operación se indica mediante el uso de un símbolo entre los argumentos. Estas funciones son al menos dobles, sin embargo, pueden ser multiplaza, es decir. depender de más argumentos.

Las formas algebraicas de escribir la función de suma mod2 a partir de dos argumentos son las siguientes:

Y = a b = . (1.14)

Los lados derechos de la expresión (1.14) son DSNF y KSNF, respectivamente. De acuerdo con estas formas, es posible construir circuitos equivalentes funcionales de un sumador mod2 con dos entradas. Estos esquemas, así como el UGO recomendado por GOST y la matriz booleana de esta función se muestran en la Fig. 1.10.

Tenga en cuenta que en el diagrama de la Fig. 1.10, A Se utilizaron elementos de prohibición UGO y elemento 2ILI. En el diagrama Fig. 1.10, V Para implementar la disyunción de inversiones de argumentos se utiliza el elemento 2I-NOT y, además, los elementos 2OR y 2I. ¡Los diagramas anteriores muestran una vez más que se pueden crear varios diagramas funcionales para un sumador mod2 de dos entradas!

Arriba, en la Fig. 1.2, A, se dio como ejemplo el mapa de Karnaugh de la función de suma mod2 de 4 lugares. Puede implementarse mediante un sumador mod2 de 4 entradas con un símbolo gráfico similar al de la Fig. 1.10. GRAMO(debe tener 4 entradas) . Dado que cambiar las posiciones de los términos no cambia la suma mod2, todas las entradas a los sumadores mod2 son lógicamente equivalentes. ¡Observémoslo de nuevo! ¿Qué pasa si el número de señales de entrada que toman el valor log.1 es par, entonces la señal de salida del sumador mod2 será igual a log.0, es decir? tiene un valor inactivo, la paridad “no se viola”. Por tanto, estos elementos se denominan "circuitos de paridad".

Ahora presta atención a la función. V 10 funciones ra lógicaVsignificado, (Tabla 1.3). Toma valores opuestos respecto a la suma mod2, es decir, es su inversión. Por tanto, la designación gráfica convencional del elemento que lo implementa diferirá de la Fig. 1.10, GRAMO sólo por la presencia de un puntero de inversión en la salida del elemento.

Usando las expresiones algebraicas de la función de equivalencia de dos lugares (1.15), es posible obtener circuitos equivalentes funcionales de un sumador mod2 de dos entradas con una salida inversa (2-NOT).

incógnita = = = . (1.15)

El mapa de Karnaugh de esta función será diferente del mapa de la figura 1.10, b el hecho de que se deben colocar valores opuestos en las celdas (los ceros deben reemplazarse por unos y los unos por ceros). No es difícil establecer el significado semántico de esta función, ya que toma el valor log.1 para un número par y el valor log.0 para extraño número de valores únicos de sus argumentos. Los esquemas que lo implementan se denominan “ circuitos de paridad impar».

Los elementos lógicos 2 se producen en una versión integrada, por ejemplo, el microcircuito K155LP5 contiene 4 de estos elementos.

Existen microcircuitos que realizan la función de un sumador mod2 multientrada con salida directa e inversa. Por ejemplo, el chip K155IP2 es un circuito de 8 bits. controlar lo quetness/ paridad impar con salida directa e inversa y dos entradas de control. Un microcircuito de este tipo implementa simultáneamente la función 8 y la función 8-NO. La designación gráfica convencional de este microcircuito y la tabla que describe los modos de funcionamiento del IC se muestran en la Fig. 1.11.

En la Tabla 1.4, en las columnas de valores de señal de salida incógnita Y Y, se dan expresiones algebraicas abreviadas de las funciones de salida del mismo nombre. De estas expresiones se deduce que con una combinación de señales en las entradas de control v 1 = 0 y v 2 = 1 salida incógnita Se realizará la suma mod2 de las ocho señales de información. Al mismo tiempo a la salida. Y se implementará una inversión de esta cantidad. Además, la tabla muestra que con combinaciones de señales en las entradas de control 0-0 o 1-1, el microcircuito está en un estado "inoperativo" cuando las señales en ambas salidas toman los mismos valores, independientemente de los valores de las señales de información de entrada.

1.3.11. Puertas lógicas mayoritarias

Estos elementos se describen mediante funciones lógicas, que tienen más de dos argumentos y son extraño. En consecuencia, para cualquier elemento mayoritario el número de entradas siempre es extraño. La señal de salida se activa cuando la mayoría de las señales de entrada tomar valores activos. Por lo tanto, dichos elementos implementan “ principio de mayoríatVirginia"en el procesamiento o recepción de señales.

Supongamos que el nivel log.1 se toma como valor activo de las señales de entrada y salida. Entonces, para el elemento mayoritario “2 de 3” (con tres entradas), la señal de salida será igual a log.1 si dos (cualquiera) o las tres señales de entrada toman el valor de log.1.

La figura 1.12 muestra el UGO de dicho elemento, el mapa de Carnot de la función de salida y su circuito funcional equivalente.

Por mapa de funciones F Puedes encontrar su forma normal mínima disyuntiva (MDNF):

F = ab + antes de Cristo + C.A. (1.16)

Esta fórmula describe directamente el circuito de la figura 1.12, b. Como puede verse en el mapa de Carnot (Fig. 1.12, V), los unos están en celdas ubicadas en las áreas de valores unitarios de dos y los tres argumentos. Por analogía, puede construir un mapa de Carnot para el elemento mayoritario "3 de 5", encontrar la expresión algebraica mínima de su función de salida y luego construir un diagrama funcional.

En la versión integral hay elementos mayoritarios, pero no en todas las series. Por ejemplo, en la serie KR1533 hay un microcircuito KR1533LP3, que consta de tres elementos mayoritarios "2 de 3" con una entrada de control común inversa. La señal log.0 en la entrada de control permite la ejecución de la mayoría de funciones y la señal log.1 prohíbe su implementación. El diagrama funcional de este microcircuito y su UGO se muestra en la Fig. 1.13. Comparando el diagrama funcional de la Fig. 1.13, b con el diagrama del elemento mayoritario Fig. 1.12, b, puede comprender cómo está organizado el control y qué valores toman las señales de salida cuando se aplica una señal lógica 1 a la entrada de control (está marcada en el UGO con la etiqueta “E”). (En la UGO y, en consecuencia, en el diagrama de la Fig. 1.13, b los números indican los números de pin del microcircuito).

Hay elementos mayoritarios con salida inversa, por ejemplo, los microcircuitos 533LP3 y KR134LP3 contienen tres de estos elementos cada uno. En este caso, se implementará el principio de "mayoría" con respecto a las señales de bajo nivel (señales log.0). También cabe señalar que para los elementos mayoritarios, así como para los elementos AND-NOT y OR-NOT, todas las entradas son lógicamente equivalentes, es decir El orden en el que se suministran las señales de entrada no es significativo.

1.3.12. Elementos y elementos de umbral lógico

"exclusivo o"

Entre los elementos lógicos de múltiples entradas, se puede distinguir un grupo de elementos en los que la señal de salida toma un valor activo sólo en los casos en que un cierto número específico de señales de entrada también toman un valor activo. Estos elementos suelen denominarse elementos de “umbral lógico”. En particular, si señal de salida adquiere el valor registro.1, Cuando solo uno y solo uno de las señales de entrada toma el valor log.1, entonces dichos elementos se denominan elementos "OR exclusivos". Estos también son elementos de un umbral lógico, sólo que el “umbral” es igual a uno. Para ellos, los GOST también regulan la UGO, en cuyo campo principal se coloca la etiqueta "=1" (para elementos exclusivo O), o una etiqueta como “= norte", Dónde norte un número entero menor que el número de entradas de un elemento lógico.

Entonces, la Fig. 1.14 muestra el UGO del elemento. exclusivo O con tres entradas, UGO del elemento umbral lógico “=2 de 4”, mapas de Carnaugh de sus funciones de salida y circuitos funcionales equivalentes.

Análisis de los mapas de funciones reducidos de Karnaugh. incógnita Y Y, observamos que estas funciones no tienen formas algebraicas disyuntivas mínimas (el método de matriz visual para minimizar funciones lógicas se discutirá a continuación). Por lo tanto, se pueden construir diagramas funcionales de los elementos nombrados encontrando expresiones algebraicas en DSNF o en otras formas.

Entonces, el diagrama de la figura 1.14, d obtenido de la siguiente expresión:

incógnita = . (1.17)

Este es el DSNF de la función OR exclusiva. Si pudiéramos encontrar de manera similar la expresión de la función Y, entonces constaría de 6 términos disyuntivos (términos), cada uno de los cuales representaría el producto de los 4 argumentos. Entonces el diagrama funcional del elemento umbral lógico “=2 de 4” constaría de un elemento 6OR, seis elementos lógicos 4I y 4 elementos NOT. El diagrama está en la Fig. 1.14, mi obtenido de la siguiente expresión lógica:

Y = (ad)(bdo) + (ab)(dod). (1.18)

A continuación se analizarán las reglas para obtener este tipo de expresiones algebraicas a partir de matrices booleanas de funciones lógicas. Ahora es apropiado recordar que la suma mod2 se muestra en los mapas de Carnaugh mediante un patrón de tablero de ajedrez de unos y ceros. Así, la expresión (1.18) se obtuvo a partir de “patrones de ajedrez privados” resaltados con diferentes rellenos (Fig. 1.14, GRAMO) para la función Y utilizando la operación de eliminar factores comunes de paréntesis. Se podría obtener una expresión similar para la función “OR exclusiva” usando el mapa de la figura 1.14. b.

Cabe señalar que en el caso especial en el que el número de entradas del elemento "OR exclusivo" es igual a dos, entonces esta función también es igual a la función de suma mod2 de dos argumentos (2). Desafortunadamente, los elementos lógicos "OR exclusivo" y "umbral lógico" con más de dos entradas no están disponibles en un diseño integrado.

1.3.13. Elementos lógicos "IMPLICADORES"

Estos elementos lógicos se describen mediante la función “implicación” (Tabla 1.3 funciones V 11 y V 14).

V 11 = b a = ,

V 14 = a b = . (1.19)

La primera de las funciones se llama “implicación” b", y la segunda "implicación A" La Figura 1.15 muestra los símbolos gráficos del elemento lógico IMPLICADOR. A y el mapa de Karnaugh de su función de salida. Los lados derechos de las expresiones (1.19) indican que la función de implicación es al mismo tiempo una inversa de la función PROHIBICIÓN.

Del mapa Fig. 1.15, V resulta que la función de implicación es falsa solo cuando uno de argumentos acepta falsomición, y el otro verdadero.

Los IMPLICADORES integrados prácticamente no se producen en serie de circuitos integrados ampliamente utilizados. Al mismo tiempo, según UGO Fig. 1.15, A Y V, la función de implicación puede ser implementada por el elemento 2OR aplicando una señal a una de sus entradas a través del inversor, o por el elemento PROHIBICIÓN encendiendo el inversor en su salida. No presentamos estos circuitos equivalentes funcionales porque son triviales.

Cabe señalar que las entradas a los elementos lógicos de los implicadores yoohlógicamente desigual, por lo tanto, el orden de las señales de entrada es estrictamente fijo.

1.3.14. Puertas lógicas multifuncionales

Lo anterior fue discutido " simple» elementos lógicos que implementan simples o bastante simple operaciones lógicas. Al mismo tiempo, se producen elementos lógicos (LE) más complejos en una versión integrada, que son capaces de implementar (simultáneamente o reconectando entradas a buses lógicos 0 o 1) varias funciones simples. De hecho, estos elementos permiten la posibilidad de implementar funciones lógicas multiplaza a partir de fragmentos de sus formas algebraicas disyuntivas normales o conjuntivas normales. En la tabla 1.2 ya se dan los nombres de los circuitos integrados por finalidad funcional y sus símbolos. Consideremos sólo los LE multifuncionales más utilizados.

Puertas lógicas Y-O-NO

Tales elementos implementan inversión disyuntivo formas normales (DNF) de expresiones de funciones algebraicas, que equivale a la implementación formas normales conjuntivas(CNF) de estas funciones. Así, la Fig. 1.16 muestra la UGO de los microcircuitos K155LR1 y K155LR3. El microcircuito K155LR1 contiene dos elementos 2-2I-2OR-NOT, y el microcircuito K155LR3 es un elemento 2-2-2-3I-4OR-NOT, ampliable mediante OR.

Según el diagrama funcional (Fig. 1.16, b) de uno de los elementos del microcircuito K155LR1, se puede crear la siguiente expresión algebraica para su función de salida:

F = = . (1.20)

Por tanto, esta función tiene 4 argumentos y el lado derecho de la expresión (1.20) corresponde a la forma normal conjuntiva mínima de la función. F(ICNF). El lado izquierdo de esta expresión corresponde directamente al UGO del elemento 2-2I-2OR-NOT. El segundo elemento similar de este microcircuito tiene entradas de expansión OR "no lógicas". Están marcados en el campo adicional izquierdo del UGO con las etiquetas salida del emisor “e” y salida del colector “k”. Ilógico Se suelen llamar pines (entradas o salidas) a aquellos en los que las señales pueden tomar valores. no estándartniveles finales Voltaje. Tales conclusiones están marcadas en la UGO de elementos lógicos (o microcircuitos) con un puntero especial en forma de "cruz". En particular, para los circuitos integrados considerados, estas conclusiones se extraen del colector y emisor del transistor de la etapa de división de fase del elemento lógico básico de la serie TTL IC. Al conectarles las salidas de los "expansores OR" de IC correspondientes, puede aumentar el número de entradas del elemento NOR, que forma parte del elemento multifuncional. Por ejemplo, para los microcircuitos considerados, el factor de combinación de entrada es 8 y los expansores OR implementan el producto lógico de varias señales de entrada. Básicamente, los expansores OR son elementos AND de múltiples entradas con la única diferencia de que las señales de salida no tienen los niveles estándar de log.0 y log.1. Lo anterior nos permite escribir, por analogía con la expresión (1.20), una expresión algebraica para la función de salida V para el segundo elemento:

V = . (1.21)

El número máximo de términos subsiguientes en la expresión (1.21) puede ser igual a 8 (de acuerdo con el coeficiente de integración de las entradas), y cada término se puede mostrar como una conjunción de un máximo de ocho argumentos. Así, las expresiones (1.20) y (1.21) definen el modelo lógico-matemático del microcircuito K155LR1.

Le sugerimos que encuentre de forma independiente el modelo lógico-matemático del microcircuito K155LR3, utilizando para ello lo que se muestra en la Fig. 1.16, GRAMO su denominación gráfica convencional.

Puertas O-Y

Estos elementos lógicos implementan fragmentos de formas normales conjuntivas (CNF) funciones booleanas, es decir, el producto lógico de sumas lógicas de varios argumentos. Por ejemplo, el elemento más simple sería 2-2OR-2I. Tal elemento se describe mediante una función de la forma

incógnita = (a + b)(do + d). (1.22)

La Figura 1.17 muestra el UGO de este elemento, el mapa de Carnot de su función de salida. incógnita y circuito equivalente funcional.

LE similares se producen en una versión integrada, por ejemplo, en la serie ESL IC hay un microcircuito K500LS118, que consta de dos elementos lógicos 2-3ILI-2I con una entrada común. En la figura 1.17, GRAMO Se muestra la UGO de este microcircuito. Usando su designación gráfica convencional, puede crear las siguientes expresiones lógicas de las funciones de salida. Y Y z:

Y = (incógnita 1 + incógnita 2 + incógnita 3)(incógnita 4 + incógnita 5 + incógnita 6), (1.23)

z = (incógnita 6 + incógnita 7 + incógnita 8)(incógnita 9 + incógnita 10 +incógnita 11).

Las expresiones (1.23) son un modelo lógico-matemático del microcircuito considerado. Disponibilidad de una entrada común. incógnita 6 permite utilizar el microcircuito K500LS118 como dos elementos independientes del tipo 2-3ILI-2I (con incógnita 6=0),

o como dos elementos independientes 3OR (con incógnita 6=1). Esto se puede verificar fácilmente sustituyendo los valores correspondientes. incógnita 6 en expresiones (1.23).

Puertas lógicas NOR/NOR

Esencialmente, estos elementos son elementos OR con dos salidas, directa e inversa. Por lo tanto, implementan simultáneamente disyunción e inversión de disyunción del mismo conjunto de señales de entrada y se describen mediante las mismas funciones lógicas. Entonces, en la figura 1.18, A muestra el UGO del elemento 3OR-NOT / 3OR y los símbolos gráficos simbólicos de los microcircuitos de la serie K500 que contienen elementos lógicos similares. La figura también muestra mapas de Carnot de las funciones de salida del elemento especificado, su circuito equivalente funcional (figura 1.18, b) y microcircuitos UGO K500LM105 (Fig.18, d), K500LM109 (Fig.1.18, mi) y K500LM101 (Fig. 1.18, y). Cabe señalar que la versión dada del diagrama funcional no es la única. En lugar del elemento 3OR-NOT, se puede utilizar el elemento 3OR y también el elemento NOT. Según los símbolos gráficos de los microcircuitos enumerados, es fácil comprender que el IC K500LM105 contiene tres elementos independientes: dos elementos 2OR-NOT/2OR y un elemento 3OR-NOT/3OR.

Del mismo modo, puedes comprender la composición del microcircuito K500LM109.

(Figura 1.18, mi).

Preste atención al microcircuito UGO K500LM101 (Fig. 1.18, y). El microcircuito contiene 4 elementos idénticos del tipo 2OR-NOT / 2OR con salidas separadas y una entrada común incógnita 5. Si la señal en esta entrada incógnita 5 = 0, entonces el microcircuito puede considerarse como un conjunto de 4 elementos NO y, al mismo tiempo, como un conjunto de cuatro repetidores de señal en las entradas. incógnita 1, incógnita 2, incógnita 3 y incógnita 4. Si incógnita 5 = 1, entonces, independientemente de los valores de otras señales de entrada, se instalarán señales lógicas 1 en las salidas directas y señales lógicas 0 en las salidas inversas. Por tanto, cada elemento del chip desempeña un papel. inversión controladaohrepetidor ra.

Además, observamos que en la serie K500 hay elementos lógicos del tipo O-Y-NO/O-Y, por ejemplo el microcircuito K500LK117. Esto es prácticamente un análogo del microcircuito K500LS118 (Fig. 1.17, GRAMO) con la diferencia de que cada elemento 2-2ILI-2I tiene salidas directas e inversas.

Hemos examinado casi todos los elementos lógicos ampliamente utilizados en la construcción de dispositivos digitales. Analizando el material presentado, podemos llegar a las siguientes conclusiones:

existe de analíticamenteohdécima descripción LE a el designación gráfica convencional ya sea a funcionesohdinero equivalente a ello esquema.

existe posibilidad de una transición inequívoca de UGO elemento o de él diagrama funcional A su descripción analítica. En este caso, el funcionamiento del elemento se describe mediante expresiones algebraicas de las funciones lógicas implementadas por el elemento.

3. Se pueden construir diagramas funcionales de LE complejos varios más simple (menos complejo) elementos lógicos, y hay ambigüedad(multivariante) construcción de funcionales circuitos equivalentes para el mismo LE.

Dado que los dispositivos lógicos son esencialmente una colección de elementos lógicos interconectados, el formulado conclusiones puede extenderse con éxito a dispositivos.

Al mismo tiempo, surge problema como puedes construir un dispositivo con una cantidad mínima LE y en elementos mínimobnomenclatura. En otras palabras, ¿cómo construir un dispositivo con mín.Ybajos costos de hardware.

Solución este problemas basado en el conocimiento conjuntos funcionalmente completos de elementos lógicos Y selección según ciertos criteriosmiriam del conjunto correspondiente.

1.3.15. Conjuntos funcionalmente completos de puertas lógicas.

Funcionalmente completo llamado tal conjunto LE, en el cual (desde el cual) es posible construir cualquier dispositivo lógico por muy difícil que sea. Completitud funcional algún conjunto de elementos lógicos, a su vez, está determinado lo completo alguno sistemas lógicosmifunciones del cielo, que son modelos lógico-matemáticos del conjunto de LE seleccionados.

En álgebra booleana existe Teorema posterior a Jablonski, según el cual se establecen criterios de integridad alguno sistemas de funciones lógicas. La esencia de este teorema se reduce a lo siguiente.

Algún sistema de funciones lógicas estará completo si contiene:

a) función, 0,

F (incógnita 1, incógnita 2, incógnita norte) = F (0, 0, 0) 0;

b) función, constante lógica no preservante 1,

F (incógnita 1, incógnita 2, incógnita norte) = F (1, 1, 1) 1;

c) función, no auto-dual,

d) función, no lineal,

F (incógnita 1, incógnita 2, incógnita norte) incógnita 1 incógnita 2 incógnita norte incógnita 1incógnita 2 incógnita 1 incógnita 2incógnita norte;

d) función, no monótono.

Si X1 es un conjunto fijo de valores de argumentos de función F(incógnita 1,incógnita 2,incógnita 3,incógnita 4), por ejemplo X1 =<incógnita 1, incógnita 2, incógnita 3, incógnita 4> = <1,1,0,1>, y X2 =<incógnita 1, incógnita 2, incógnita 3, incógnita 4> = <0,0,0,1>otro conjunto de estos argumentos, entonces podemos suponer que X1 > X2, es decir, el conjunto X2 es más pequeño que el conjunto X1.

Ministerio de la Federación Rusa

Universidad Politécnica de Tomsk

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EL Sobakin

INGENIERÍA DE CIRCUITO DIGITAL

Tutorial

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Circuitos digitales. Libro de texto prestación. Parte I Tomsk: Editorial. TPU, 2002. - 160 p.

El manual describe los principales temas del curso de conferencias para estudiantes de la especialidad 210100 Gestión e informática en sistemas técnicos. El manual fue elaborado en el Departamento de Automatización y Sistemas Informáticos de la TPU, corresponde al plan de estudios de la disciplina y está destinado a estudiantes del Instituto de Educación a Distancia.

Publicado según la resolución del Consejo Editorial y Editorial de la Universidad Politécnica de Tomsk

Revisores:

V.M. Profesor Dmitriev, Doctor en Ciencias Técnicas, Jefe del Departamento de Fundamentos Teóricos de la Ingeniería Eléctrica, Universidad de Sistemas de Control y Radioelectrónica de Tomsk;

SI. Korolev Director de NPO Spetstekhauditservis LLP,

Candidato de Ciencias Técnicas, Investigador Titular.

Templan 2002

Universidad Politécnica de Tomsk, 2002

Introducción

Este libro de texto está destinado a estudiantes de instituciones de educación superior que cursan la especialidad 210100 "Informática y gestión en sistemas técnicos". Está compilado sobre la base de un curso de conferencias impartidas por el autor en la Universidad Politécnica de Tomsk durante varios años y está dedicado a una presentación sistemática de métodos para la construcción formalizada de dispositivos de tecnología digital en microcircuitos ampliamente utilizados.

La disciplina "Ingeniería de Circuitos Digitales" debe considerarse como una continuación del curso "Electrónica", que los estudiantes deben dominar previamente, ya que se requiere conocimiento de la base elemental de los dispositivos electrónicos analógicos.

La mayoría de los sistemas de automatización, sistemas informáticos, sistemas de transmisión y procesamiento de información modernos se realizan en dispositivos digitales, ya sea total o parcialmente. Por lo tanto, el conocimiento de los principios del uso de dispositivos digitales y sistemas de construcción para diversos fines sobre su base es de importancia actual y de gran valor práctico tanto en las actividades de ingeniería como en la investigación metodológica.

El material del manual se puede dividir aproximadamente en tres partes: 1) Fundamentos de microelectrónica; 2) Dispositivos combinados de tecnología digital; 3) Dispositivos lógicos secuenciales de tecnología digital.

Al comenzar a dominar el curso, conviene estudiar el material en el orden en que se enumeran las partes especificadas, ya que el material posterior se basa en el conocimiento del anterior, y cambiar la secuencia puede generar dificultades para dominarlo. Esto se ve agravado aún más por el hecho de que otros libros de texto y literatura técnica especializada utilizan términos y conceptos diferentes para explicar los mismos fenómenos, procesos, transformaciones realizadas, etc. La diferencia en los conceptos utilizados o su incorrección conduce a una mala comprensión de la esencia del material presentado y, como consecuencia, a dificultades para asimilarlo.

Las dos primeras de estas secciones están incluidas en la primera parte de este manual (Parte 1). Un manual separado está dedicado a la tercera sección.

B1.Aplicación de dispositivos digitales.

Actualmente, en relación con la creación y la introducción generalizada de dispositivos y sistemas de microprocesadores en la práctica de la ingeniería, el interés por los métodos digitales de procesamiento y transmisión de información no disminuye y se está estimulando nuevamente. Estos métodos, a su vez, confieren a los sistemas una serie de propiedades y cualidades positivas. Aumenta la fidelidad de la información transmitida, se logra alta velocidad y productividad de los sistemas de procesamiento de información, se asegura su costo aceptable, alta confiabilidad, bajo consumo de energía, etc.

Las tareas que resuelven estos sistemas son muy diversas y predeterminan las funciones de los dispositivos que forman un sistema específico. Por lo tanto, es aconsejable considerar los dispositivos y sus funciones a la luz de aquellas tareas que resuelven los sistemas y, en particular, aquellas subtareas que realizan los dispositivos o bloques individuales.

Principal tareas tipicas que surgen durante la gestión y control automático o automatizado de la producción u otros procesos son:

recopilación información (recibirla);

transformación información (escalado, normalización, filtrado, codificación, etc.);

transmisión-recepción información;

procesamiento y uso información;

almacenamiento información.

Dependiendo del propósito previsto y las funciones principales, existen:

Sistemas de control y seguimiento automáticos (o automatizados).

Sistemas de transmisión de información.

Sistemas de procesamiento de información (sistemas informáticos).

Para comprender la relación de estas tareas, el lugar y el papel de los dispositivos electrónicos digitales utilizados en estos sistemas, consideremos los diagramas estructurales generalizados de estos sistemas y el propósito funcional de sus componentes.

B1.1. Sistemas de control automático

Administrar significa conocer el estado (posición) del objeto controlado y de acuerdo con un algoritmo dado ( algoritmo de control) influyen en el objeto, tratando de eliminar las desviaciones emergentes.

Por tanto, el control en el caso general está asociado a las siguientes acciones:

obtener información sobre el estado del objeto;

comparación de la información recibida con la información especificada sobre el estado del objeto;

generación de señales de control (influencias);

influir en un objeto para llevarlo al estado requerido.

De acuerdo con las acciones enumeradas, el sistema de control automático (ACS) en el caso general debe incluir un dispositivo de medición de información, un dispositivo de control y un actuador (Fig. B1).

Dispositivo de información y medición. (AIU) recibe información sobre el objeto de control (OU) y la procesa previamente. La obtención de información consiste en generar señales primarias, cuyos valores son proporcionales a los valores de los parámetros que caracterizan el estado del amplificador operacional. Un objeto puede entenderse como una unidad de producción separada o como el proceso de producción en su conjunto. Y bajo los parámetros están las "coordenadas de salida" del objeto. Estos podrían ser, por ejemplo, valores de temperatura, presión, consumo de material o energía, etc. Dado que la mayoría de estos parámetros de coordenadas se presentan en forma analógica y se caracterizan por un conjunto infinito de valores, las señales deben normalizarse según sus parámetros, escalarse y tener una forma unificada.

Por lo tanto, la IMU debe tener transductores y sensores de medición primarios, convertidores analógicos a digitales y otras unidades funcionales con la ayuda de las cuales se realizan las siguientes conversiones:

valores de cantidades físicas en señales analógicas unificadas de corriente continua o alterna;

escalar o normalizar señales por nivel y forma;

conversión de señales analógicas en señales discretas (digitales);

codificación de señales y algunas otras transformaciones.

Las señales sobre los valores de coordenadas actuales se envían a dispositivo de control (UU). Las funciones de este dispositivo incluyen comparar valores actuales con valores de coordenadas específicos y generar señales de control (señales de control) en función de los resultados de la comparación. Los valores especificados pueden ser ingresados ​​por un operador humano o automáticamente por software. En el primer caso, como unidad de control se puede utilizar un regulador automático o varios reguladores automáticos, cuyos ajustes son determinados y configurados por una persona. En el segundo caso, la unidad de control es una máquina de programa de mini o microcomputadora y el papel del operador humano se reduce a ingresar el programa y la puesta en marcha inicial del sistema.

Para realizar estas funciones, la unidad de control debe realizar operaciones aritméticas y lógicas para calcular valores y comparar señales, memorizar (almacenar) señales a corto y largo plazo y generar señales de control unificadas. Estos últimos contienen información a partir de la cual se forman aún más las influencias sobre el objeto de control (acciones de control), llevándolo al estado requerido.

El impacto directo de las formas de naturaleza física requeridas. solenoide (UI). Convierte señales de control, por ejemplo en forma de tensión de corriente continua o pulsada, en la velocidad de rotación de un motor actuador, en el movimiento mecánico de una válvula en una tubería de vapor, etc. Para realizar estas conversiones necesitarás: convertidores de digital a analógico; convertidores de señales eléctricas en no eléctricas; dispositivos de amplificación, etc. En este caso, pueden ser necesarios como medios intermedios convertidores de códigos de señales digitales o formas de representación de señales. Por ejemplo, códigos de números binarios en un número proporcional de pulsos, señales monofásicas en polifásicas, utilizadas para controlar motores paso a paso, etc.

Bajo la influencia de influencias perturbadoras, el objeto abandona su estado (modo) normal y el ACS lo devuelve al modo de funcionamiento requerido (normal). El proceso de control se produce en tiempo real, es decir, a una velocidad determinada por la naturaleza de los procesos físicos. Si las acciones de control se retrasan en el tiempo o son excesivas, entonces puede ocurrir un modo de funcionamiento inestable del sistema, en el que las coordenadas del objeto pueden tomar valores inaceptables y el objeto en sí o los dispositivos individuales del sistema fallarán y se producirá un modo de emergencia. Por tanto, en la teoría de las armas autopropulsadas. principal son problemas para garantizar la estabilidad y la precisión del control.

La mayoría de estas transformaciones se pueden realizar utilizando dispositivos microelectrónicos digitales. Una unidad de control es completamente digital cuando está construida a base de microcomputadores de control o microcircuitos digitales.

En los microcircuitos digitales se utilizan sensores digitales de cantidades físicas, así como convertidores de señales parcialmente analógico-digital y digital-analógico.

B1.2. Sistemas de transmisión de información (ITS)

Con un aumento en la distancia entre la UI y la unidad de control (Fig. B1), así como entre la unidad de control y la unidad de control, surge el problema de transmitir información. La necesidad de transmitir información a distancias significativas surge no solo en los sistemas automáticos de control y monitoreo desarrollados espacialmente, sino también en sistemas otros tipos de comunicacion(telégrafo, teléfono, telefax, etc.). Además, la necesidad de transmitir información surge en sistemas informáticos, sistemas de transmisión de datos, sistemas telemecánicos, etc. Esta tarea se complica por el hecho de que en el proceso transmisiones a través de líneas de comunicación los parámetros están distorsionados señales y esto, a su vez, puede provocar una distorsión de la información y una disminución de su precisión (la probabilidad de su correcta recepción). La distorsión de las señales se debe a interferencias., surgiendo en líneas de comunicación. La interferencia, por regla general, es de naturaleza aleatoria y sus parámetros pueden no diferir de los parámetros de las señales. Por tanto, son “capaces” de distorsionar señales e incluso “reproducir” información transformar el mensaje que se transmite. El último evento más indeseable en la transferencia de información.

Para garantizar alta fidelidad y velocidad máxima ( ohFeficiencia) se requieren transmisión de información, conversiones de señales adicionales y métodos especiales para su transmisión.

Tales transformaciones incluyen codificación y procedimiento inverso información de decodificación(y señales). La codificación es el procedimiento para convertir un mensaje en una señal.. En este caso, las transformaciones se llevan a cabo de acuerdo con ciertos normas cuya totalidad código llamado.

La codificación de la información se realiza en el lado transmisor y la decodificación en el lado receptor. Distinguir codificación resistente al ruido y eficiente. Objetivoresistente al ruido codificación construir (sforeditar) una señal menos susceptible a la interferencia, dale una tAuna estructura tal que los errores que surgen durante el proceso de transmisión en el lado receptor puedan detectarse o corregirse. Y, así, garantizar una alta fidelidad de transmisión.

Objetivoeficaz codificación asegurar la máxima velocidadohel crecimiento de la transferencia de información, ya que su valor está determinado en gran medida por la rapidez con la que se recibe. Según este requisito, el mensaje codificado debe contener la cantidad de información requerida y, al mismo tiempo, tener una longitud mínima para que la transmisión demore el mínimo de tiempo.

Las señales (e información) se transmiten a través de canales de comunicacion. Canal de comunicación este es un camino (camino) de transmisión independiente de señales desde la fuentehapodo al correspondiente receptor (destinatario) de información. Los canales de comunicación se forman mediante equipos técnicos de formación de canales y, al igual que las líneas de comunicación, están sujetos a interferencias.

Una de las principales tareas resueltas en SPI es la tarea de crear la cantidad requerida de canales de comunicación. La eficiencia y la inmunidad al ruido de la transmisión están determinadas en gran medida por los canales de comunicación utilizados. Bajo La inmunidad al ruido se refiere a la capacidad de un sistema.(señal, código) realizar sus funciones correctamente en presencia de interferencias.

Normalmente, se puede utilizar el mismo sistema para transmitir información desde muchas fuentes a un número adecuado de receptores. Por lo tanto, al dispositivo de comunicación se le asigna la formación del número necesario de canales con la inmunidad al ruido necesaria. En este caso, se pueden realizar las siguientes transformaciones en el dispositivo de comunicación: modulación y demodulación señales; amplificación de los transmitidos a la línea y recibidos desde la líneaYinstituto de investigacion comunicaciones de señales; limitación en el nivel y el espectro de frecuencias señales y algunos otros.

Dependiendo del área de uso (aplicación) del SPI, existe la necesidad de transformaciones adicionales, como convertir la forma de las señales, su naturaleza física, normalizar los parámetros de las señales recibidas del exterior y las señales emitidas por el sistema a dispositivos externos; almacenamiento temporal de señales transmitidas al canal de comunicación y emitidas por el sistema.

Las transformaciones enumeradas predeterminan la composición funcional de los equipos de transmisión y recepción de los sistemas de transmisión de información (Fig. B2).

Como puede verse en el diagrama, la transmisión se realiza en una dirección de izquierda a derecha. El dispositivo de conversión de información primaria y de entrada (IPID) convierte las señales provenientes de fuentes de información en señales "primarias" unificadas que no se pueden transmitir directamente a largas distancias. Normalmente, estas señales unificadas son voltajes de CC con niveles fijos. En el bloque UVPI, las señales primarias se almacenan durante la transmisión (en un dispositivo de memoria intermedia), después de lo cual se borran de la memoria. Un dispositivo de codificación (CU) convierte señales primarias en señales codificadas que tienen una determinada estructura y formato, lo que permite que (señales) se transmitan a largas distancias ("teleseñales"). Por regla general, este dispositivo es combinacional, aunque en algunos casos también se puede realizar secuencial (multiciclo). Aquí se implementan operaciones lógicas y aritméticas de procedimientos de codificación.

El objetivo principal del dispositivo de comunicación (Fig. B2) es crear o organización de canales de comunicación en la línea de comunicación proporcionada. Enlace este es el entorno material entre el transmisor (Prd) y el receptor (Prm) del sistema. La figura muestra aproximadamente una línea de comunicación eléctrica de dos hilos. Sin embargo, se pueden utilizar enlaces de radio y líneas de comunicación de fibra óptica y otros. Dependiendo del tipo de línea se realizan diversas conversiones de señal en el Prd y Prm con el fin de armonizar sus parámetros y características con los parámetros y características de la línea de comunicación y transformaciones encaminadas a mayor inmunidad al ruido señales.

En el lado receptor, las señales codificadas recibidas de la línea de comunicación son nuevamente convertidas por el dispositivo decodificador (DCU) en señales primarias. Al mismo tiempo, se detectan errores en las señales recibidas y se pueden corregir mediante procedimientos de decodificación, asegurando así la precisión requerida en la transmisión de información. A convertidores de salida(VP) transforma estas señales primarias en una forma y forma (naturaleza física) que pueden ser percibidas por los destinatarios de la información.

Cabe señalar que la mayoría de los “nodos” y “bloques” funcionales que se muestran en la Fig. B2 se pueden implementar en chips digitales. Por tanto, los sistemas de transmisión de información suelen ser digitales.

B1.3. Sistemas de procesamiento de información

(sistemas informáticos)

Los problemas típicos enumerados anteriormente se pueden resolver y formalizar utilizando métodos matemáticos y lógicos. A su vez, estos métodos operan con las operaciones más simples (aritméticas o lógicas), cuya ejecución sobre algunos “datos iniciales” produce un nuevo resultado, previamente desconocido. Esta comunidad de métodos para resolver diversos problemas de procesamiento de información hizo posible crear una clase separada de dispositivos y sistemas, cuyo propósito (inicialmente) era la automatización de los procedimientos informáticos (computadoras electrónicas). En la etapa actual de desarrollo de la tecnología informática, las computadoras se han "convertido" en computadoras, sobre cuya base se construyen los sistemas informáticos modernos para procesar y transmitir información. En la Fig. B3 se muestra un diagrama de bloques generalizado de un determinado sistema informático.

Los datos son tratados previamente a través de dispositivo de entrada UVV llegar a memoria memoria, donde se almacenan durante todo el tiempo de procesamiento. El programa para procesar la información entrante también se almacena en la misma memoria.

El programa operativo del sistema, así como los "datos", se almacenan en un dispositivo de almacenamiento en forma de números binarios de varios bits escritos en celdas de memoria en direcciones específicas (direcciones de celdas de memoria). Los números binarios, cuya totalidad representa un programa de procesamiento de datos, se estructuran en un cierto número de partes, cada una de las cuales tiene un propósito específico. En el caso más simple, existen las siguientes partes: 1) el código de la operación que se debe realizar sobre dos números binarios que representan los valores de “datos” y se denominan “operandos”; 2) dirección del primer operando; 3) dirección del segundo operando. La combinación de estas partes forma un “equipo”.

El trabajo de una computadora consiste en la ejecución secuencial de comandos dados por el programa. Coordina el trabajo de todos los bloques en el tiempo y los gestiona. dispositivo de control UU.. Y realiza directamente operaciones (acciones) lógicas y aritméticas sobre los operandos. unidad lógica aritmética ALU, que, a partir de una señal procedente de la centralita “código de operación”, se configura cada vez para realizar una operación específica.

El dispositivo de control descifra el comando recibido de la memoria (Fig. B3 “siguiente comando”), envía el código de operación a la ALU y se prepara para realizar la operación correspondiente. Luego genera señales de muestreo de la memoria de operandos (consulte la señal "Direcciones de datos") y determina la dirección del siguiente comando que debe ejecutarse en el siguiente ciclo de la computadora ("Dirección del siguiente comando"). Según las señales de la unidad de control, los operandos se leen de la memoria y la ALU realiza las acciones necesarias. En este caso se forma un resultado intermedio (“Resultado de la operación”), que también ahorra memoria. Dependiendo del resultado de la operación, puede ser necesario cambiar la secuencia de ejecución del comando, detener el procesamiento de datos o mostrar mensajes de error al operador. Para ello, la señal "Señal de resultado" se envía desde la ALU a la unidad de control. El proceso de procesamiento de los datos ingresados ​​(información) continúa hasta que se recupera el comando "Fin de los cálculos" o el operador, a su propia discreción, detiene el proceso de procesamiento de datos.

El resultado del procesamiento resultante también se almacena en la memoria y se puede generar a través de dispositivo de salida Ay al final del proceso de procesamiento o durante el proceso, si así lo prevé el programa.

Para la "comunicación" entre el operador y la computadora, se proporcionan dispositivos terminales ESO, destinado a que el operador ingrese comandos y otros mensajes y a que la computadora envíe "mensajes" al operador.

La Fig. B3 no muestra las conexiones del dispositivo de control, que aseguran la sincronización del funcionamiento de todos los componentes de la computadora. Las flechas anchas indican la posibilidad de transmisión de datos en paralelo (transmisión simultánea de todos los bits de números binarios de varios bits).

Casi todos los bloques que se muestran en la Fig. B3 (excepto los dispositivos terminales) se pueden implementar completamente solo en circuitos integrados digitales (CI). En particular, la unidad de control, la ALU y parte de la memoria (memoria de registro SRAM) se pueden fabricar en forma de un IC con un alto grado de integración. El conjunto de bloques nombrado se forma microprocesador Procesador central de computadora fabricado con tecnología integrada en un solo chip semiconductor.

Los dispositivos de entrada y salida de datos, por regla general, constan de registros de almacenamiento en búfer que sirven para el almacenamiento temporal de datos de entrada y salida, respectivamente, y para coordinar el sistema con dispositivos externos.

El dispositivo de almacenamiento (SRAM) suele dividirse en dos partes: memoria de acceso aleatorio (RAM) y memoria permanente. El primero sirve para almacenar resultados intermedios de los cálculos; su “contenido” cambia constantemente durante el procesamiento de los datos. La RAM funciona en modos de datos de "lectura" y "escritura". Y la segunda, la memoria de solo lectura (ROM), se utiliza para almacenar subrutinas estándar y algunas subrutinas del sistema (servicio) que controlan los procesos de encendido y apagado de la computadora. Normalmente, la ROM se implementa en una ROM programable en campo (FPROM) de IC, ya sea una ROM IC preprogramada de fábrica o una ROM reprogramable por el usuario (ROM reprogramable). Normalmente, se trata de dispositivos de almacenamiento no volátiles en los que la información registrada no se "destruye" incluso cuando se desconectan de la fuente de alimentación.

La ALU incluye un IC del mismo nombre que realiza operaciones lógicas y aritméticas con números binarios, elementos lógicos y una serie de otras unidades funcionales que sirven para comparar números, comparadores digitales, para aumentar la velocidad de las operaciones aritméticas realizadas, por ejemplo, " unidades de transferencia rápida”, etc.

La unidad de control incluye dispositivos temporizadores que configuran la frecuencia del reloj del sistema y, en última instancia, determinan su rendimiento, decodificadores de códigos de comando, matrices lógicas programables, registros, unidades de control de microprogramas, así como “puertos” de entrada/salida.

Todas las unidades funcionales enumeradas se implementan en forma de dispositivos digitales integrados.

Principales problemas Los sistemas informáticos están, en primer lugar, mejorando su productividad(actuación). Y en segundo lugar, garantizar que los sistemas funcionen. en tiempo real.

El primer problema afecta a todo el sistema y se resuelve utilizando una nueva base de elementos y métodos especiales de procesamiento de información.

El segundo problema surge cuando se utilizan sistemas informáticos para controlar los procesos de producción y es que se debe coordinar la velocidad de los procesos de producción y de computación. En efecto, el funcionamiento de un sistema informático (CS) se produce en el llamado tiempo “máquina”, cuando se toma como unidad de tiempo un determinado intervalo de tiempo fijo e indivisible, denominado “ciclo de trabajo” de una computadora o computadora. , mientras que los procesos físicos reales, por ejemplo los procesos tecnológicos, tienen lugar en tiempo real, medido en segundos, fracciones de segundo, horas, etc. Para hacer posible el uso de computadoras, es necesario hacer que la velocidad del procesamiento de la información no sea menor que la velocidad de los procesos físicos reales. La solución a este problema se logra organizando métodos especiales para intercambiar información (datos) de la computadora de control con dispositivos periféricos y utilizando los llamados especiales intercircuitos y dispositivos faciales. Las funciones de los circuitos de interfaz incluyen:

determinar la dirección de un dispositivo externo que requiere intercambio de información con el procesador o con el dispositivo de almacenamiento del sistema;

generar señales de interrupción para el procesador BC e inicializar la transición al programa de servicio para el objeto que solicitó la interrupción. Esto se lleva a cabo de acuerdo con un especial sistema de prioridades;

implementación de colas para dar servicio a dispositivos externos;

coordinación de parámetros y temporización de señales de intercambio, etc.

Gracias a los avances modernos en el campo de la tecnología integrada en la fabricación de dispositivos microelectrónicos, la creación de microcomputadoras y computadoras que se caracterizan por sus pequeñas dimensiones, bajo consumo de energía y costo razonable, ha sido posible utilizarlos como parte de sistemas para una amplia variedad. de propósitos. Al mismo tiempo, estos sistemas adquieren nuevas cualidades y se vuelven multifuncionales con la posibilidad de una transición flexible de un modo de funcionamiento a otro simplemente cambiando la configuración del sistema. A su vez, estas ventajas abren nuevas perspectivas para el uso de sistemas informáticos en una amplia variedad de áreas de la actividad humana: en ciencia, medicina, educación y formación, y más aún en tecnología.

Por ejemplo, las comunicaciones telefónicas se realizaban tradicionalmente mediante dispositivos analógicos, donde el habla humana se transmitía (a través de cables) mediante señales en forma de corrientes alternas de frecuencias de audio. Ahora ha habido una transición intensiva a las comunicaciones telefónicas digitales, en las que las señales analógicas (de un micrófono) se convierten en digitales y se transmiten a largas distancias sin una distorsión significativa. En el lado receptor, estas señales digitales se convierten nuevamente en analógicas y se envían al teléfono. La transición a las comunicaciones digitales permite mejorar la calidad de la transmisión de voz, además, la red telefónica se puede utilizar para otros servicios: alarma de seguridad; alarma de incendios; para “llamadas en conferencia” de varios suscriptores, etc.

B2. Evaluación comparativa de dispositivos digitales y analógicos.

tecnología microelectrónica

Al decidir la construcción o el diseño de cualquier dispositivo, primero se debe decidir la dirección del diseño: ¿cómo será el dispositivo? Cosa análoga o discreto(digital)? A su vez, esta decisión se puede tomar conociendo las ventajas y desventajas de ambos dispositivos. Primero definamos los conceptos de dispositivos "analógicos" y "digitales".

Cosa análoga esto se llama dispositivo, en el que todas las señales de entrada, salida e intermedias (internas) son continuas y se describen mediante funciones matemáticas continuas. Estas señales se caracterizan por un conjunto infinito de valores de nivel (estados) y son continuas en el tiempo, aunque el rango de cambios en los valores de una señal continua es limitado. Por lo tanto, estos dispositivos a veces se denominan arreglarthstvami sustantivo, masculino—miintermitente.

Dispositivos discretos o dispositivos acción discreta Son aquellas cuyas señales de entrada, salida e intermedias se caracterizan por un conjunto contable de valores en nivel y existencia en determinados intervalos de tiempo. Estas señales se pueden mostrar en uno u otro sistema numérico posicional (con los números correspondientes). Por ejemplo, en el sistema numérico decimal o en el sistema numérico binario. La representación binaria de señales ha encontrado la mayor aplicación en tecnología y en lógica formal en el cálculo de enunciados y en la extracción de conclusiones a partir de varias premisas. Por lo tanto, los dispositivos discretos se llaman lógico(similar a la lógica binaria formal) o digital, teniendo en cuenta la posibilidad de describirlos utilizando números del sistema numérico posicional.

Desventajas de los medios técnicos analógicos.

Presencia de “deriva” y “ruido”. a la deriva se trata de un cambio lento en la señal, debido a la naturaleza discreta del fenómeno, en relación con su valor dado. Por ejemplo, en el caso de las señales eléctricas, la naturaleza discreta del flujo de corriente eléctrica está determinada por los electrones y los "huecos", que son portadores de cargas eléctricas. Ruidos Se trata de cambios aleatorios de señal causados ​​por factores externos o internos, por ejemplo, temperatura, presión, intensidad del campo magnético terrestre, etc.

Dificultades metodológicas para definir los conceptos de “igualdad a cero” e “igualdad de señales analógicas”. Y como consecuencia, la existencia del problema de “garantizar la precisión (error) especificada” de las transformaciones y transmisión de señales.

La posibilidad de que surjan modos de funcionamiento inestables y la existencia del problema de "garantizar la estabilidad" del funcionamiento de sistemas y dispositivos. Un modo inestable se caracteriza por la aparición en un dispositivo o sistema de oscilaciones no amortiguadas en el cambio de determinadas señales. En electrónica, este fenómeno se utiliza ampliamente en la construcción de generadores de impulsos y generadores de oscilaciones armónicas.

Dificultades técnicas en la implementación de dispositivos de almacenamiento y retardadores de tiempo para señales analógicas.

Nivel insuficiente de integración de elementos analógicos y su versatilidad.

Alcance de transmisión relativamente corto de señales analógicas debido a la disipación de energía en las líneas de comunicación.

Consumo de energía relativamente grande, ya que los elementos analógicos operan en secciones lineales de sus características transitorias y "consumen" energía en los estados iniciales (iniciales).

Ventajas de los medios técnicos analógicos.

Adecuación de la visualización de procesos y patrones físicos: ambos se describen mediante dependencias continuas. Esto nos permite simplificar significativamente las soluciones técnicas fundamentales de los dispositivos y sistemas analógicos.

Eficiencia y facilidad para cambiar los modos de operación: a menudo es suficiente cambiar la resistencia de una resistencia o la capacitancia de un capacitor para que un modo inestable cambie a uno estable o para asegurar un determinado proceso transitorio en el dispositivo.

No es necesario convertir valores analógicos en discretos. Estas transformaciones van acompañadas de errores y una cierta pérdida de tiempo.

Ventajas de la tecnología digital

La posibilidad de control de programas, que aumenta la flexibilidad para cambiar la estructura y el algoritmo operativo de los sistemas, permite simplificar la implementación de leyes de control adaptativo.

Facilidad para garantizar la confiabilidad, precisión e inmunidad al ruido especificadas de los sistemas.

Facilidad para garantizar la compatibilidad de los dispositivos con dispositivos de procesamiento de información digital (computadoras, computadoras).

Alto grado de integración constructiva y funcional, versatilidad con capacidad de construir sistemas según soluciones de diseño estándar. A su vez, esto le permite reducir los costos de producción y operación de sistemas y dispositivos.

La capacidad de diseñar utilizando métodos lógicos formales, lo que permite reducir el tiempo de diseño de los dispositivos y permite cambiar las funciones de los dispositivos (y los sistemas basados ​​en ellos) mediante métodos de construcción agregada durante la operación.

Desventajas de la tecnología digital

La necesidad de convertir señales analógicas en discretas. Estas transformaciones van acompañadas de errores y retrasos.

La relativa dificultad de cambiar los modos de funcionamiento. Para ello, es necesario cambiar la estructura del sistema o el algoritmo de su funcionamiento.

La complejidad de los procesos de análisis del funcionamiento de los sistemas, tanto a la hora de comprobar el correcto funcionamiento de ellos como de la búsqueda de fallos emergentes. Los dispositivos digitales se caracterizan por una gran complejidad funcional, lo que requiere dispositivos especiales de "diagnóstico", que se estudian en un campo especial de la tecnología llamado técnica dYagnosticoYVaya.

Mayores requisitos de cultura de producción y cultura de mantenimiento de equipos digitales. A su vez, esto estimula la necesidad de mejorar las calificaciones del personal de servicio y exige que estén altamente calificados.

Un análisis comparativo de las ventajas y desventajas enumeradas da conclusión a favor medios tecnicos tecnología digital. Por lo tanto, en la actualidad, los dispositivos digitales se están introduciendo ampliamente en áreas aparentemente tradicionales de la tecnología analógica: televisión, comunicaciones telefónicas, tecnología de grabación de sonido, tecnología de radio y sistemas de control y regulación automáticos.

1. Fundamentos de la tecnología microelectrónica

1.1. Conceptos básicos y definiciones.

Microelectrónica el principal campo de la electrónica, que estudia los problemas de diseño, investigación, creación y aplicación de dispositivos electrónicos con un alto grado de funcional Y construyeVNoé integración.

Producto microelectrónico, implementado mediante tecnología integrada y realizando una determinada función sobre la conversión y el procesamiento de señales se llama circuito integrado(IC) o simplemente circuito integrado(ES).

Dispositivo microelectrónico un conjunto de circuitos integrados interconectados que realizan una función completa y bastante compleja (o varias funciones) para procesar y convertir señales. Un dispositivo microelectrónico puede diseñarse estructuralmente en forma de un solo microcircuito o en varios circuitos integrados.

Bajo integración funcional comprender un aumento en el número de funciones implementadas (realizadas) por un determinado dispositivo. En este caso, el dispositivo se considera como entero, indivisible. A constructivomigracia Es un aumento en el número de componentes de un dispositivo, considerado como entero. Un ejemplo de dispositivo microelectrónico con un alto grado de integración estructural y funcional es microprocesador(ver arriba), que, por regla general, se realiza en forma de un IC "grande".

diseño de circuito es parte de la microelectrónica, cuyo tema es métodos de construcción dispositivos para diversos fines a microohesquemas de amplia aplicación. el tema diseño de circuitos digitales son métodos para construir (diseñar) dispositivos utilizando únicamente circuitos integrados digitales.

Características de los circuitos digitales. Se utiliza ampliamente para describir los procesos de funcionamiento de los dispositivos. formal o lenguajes naturales formales y en base a ellos métodos de diseño formalizados. Los lenguajes formales son álgebra booleana(álgebra de la lógica, álgebra de Boole) y el lenguaje de las funciones lógicas "automáticas" álgebra de estados y eventos. Gracias al uso de métodos formalizados se consigue multivarianza Al resolver problemas aplicados, se hace posible. elección óptima de soluciones de circuitos según uno u otro criterio.

Métodos formales se caracterizan por un alto nivel de abstracción, descuido de las propiedades particulares del objeto descrito. La atención se centra únicamente en los patrones generales en las relaciones mutuas entre los componentes del objeto y sus partes constituyentes. Estas “regularidades”, por ejemplo, incluyen las reglas de las operaciones aritméticas en el álgebra de números (reglas de suma, resta, multiplicación, división). Al mismo tiempo, se distraen del significado de los números (ya sea el número de manzanas, de mesas, etc.). Estas reglas están estrictamente formalizadas; también están formalizadas las reglas para obtener expresiones aritméticas complejas, así como los procedimientos para calcular dichas expresiones. En tales casos dicen, formales son y sinorteesoAhermana Y gramática del idioma descripciones.

En los lenguajes naturales formales, la sintaxis está formalizada y la gramática (reglas para construir expresiones complejas) está sujeta a la gramática de un lenguaje natural, por ejemplo, el ruso o el inglés. Ejemplos de tales lenguajes son varios lenguajes de descripción tabular. En particular, la base teórica para describir los dispositivos digitales es la "Teoría de los autómatas finitos" o "Teoría de los dispositivos de retransmisión y los autómatas finitos".

1.2. Clasificación de dispositivos microelectrónicos.

Toda la variedad de dispositivos microelectrónicos (MED) se puede clasificar según varios criterios:

por el principio y naturaleza de la acción;

por finalidad funcional y funciones desempeñadas;

por tecnología de fabricación;

por área de aplicación;

según diseño y características técnicas, etc.

Consideremos ahora con más detalle la división de MEU según criterios de clasificación.

Según el principio(personaje) comportamiento todos los MEU se dividen en cosa análoga y digitales. Los conceptos de dispositivos analógicos y discretos, incluidos los digitales, ya se han descrito anteriormente. Aquí observamos que si en dispositivos discretos todas las señales toman solo dos valores condicionales de cero lógico (log.0) y uno lógico (log.1), entonces los dispositivos se llaman lógico. Como regla general, todos los dispositivos digitales se clasifican como dispositivos lógicos.

Dependiendo de las funciones realizadas (propósito funcional), se distinguen los siguientes dispositivos microelectrónicos:

I. Analógico

1.1. Dispositivos de amplificación (amplificadores).

1.2. Convertidores funcionales que realizan operaciones matemáticas sobre señales analógicas (por ejemplo, integración, diferenciación, etc.).

1.3. Transductores de medida y sensores de cantidades físicas.

1.4. Moduladores y demoduladores, filtros, mezcladores y generadores de armónicos.

1.5. Dispositivos de almacenamiento.

1.6. Estabilizadores de voltaje y corriente.

1.7. Circuitos integrados para fines especiales (por ejemplo, para procesar señales de radio y vídeo, comparadores, interruptores, etc.).

II. AAM digitales

2.1. Elementos lógicos.

2.2. Encriptadores, descifradores de códigos y conversores de códigos.

2.3. Elementos de la memoria (disparadores).

2.4. Dispositivos de almacenamiento (RAM, ROM, PROM, PLM, etc.).

2.5. Dispositivos aritmético-lógicos.

2.6. Selectores, modeladores y generadores de impulsos.

2.7. Dispositivos de conteo (contadores de pulsos).

2.8. Comparadores digitales, interruptores de señales discretas.

2.9. Registros.

2.10. Microcircuitos para fines especiales (por ejemplo, temporizadores, kits de circuitos integrados de microprocesadores, etc.).

La clasificación anterior está lejos de ser exhaustiva, pero nos permite concluir que la gama de dispositivos digitales es mucho más amplia que la gama de MEA analógicos.

Además de los enumerados, existen microcircuitos convertidores de nivel de señal, por ejemplo, disparadores Schmitt, en los que las señales de entrada son analógicas y las señales de salida son discretas, binarias. Estos microcircuitos ocupan una posición intermedia. De manera similar, los microcircuitos de convertidores analógico-digital y digital-analógico (ADC y DAC), interruptores de señales analógicas controlados por señales discretas, deben clasificarse como MEA "intermedios".

Dependiendo del número de funciones implementadas, existen unoohfuncional(sencillo) y multifuncional(complejo) MEU. En los dispositivos multifunción, se pueden realizar funciones. simultáneamente o secuencialmente a tiempo. Dependiendo de esto, en el primer caso los dispositivos se denominan dispositivos de acción “paralela”, y en el segundo caso, dispositivos de acción secuencial o “secuencial”. Si un dispositivo multifuncional está configurado para realizar una función particular mediante la conmutación de entradas (reconexión física de circuitos eléctricos), dicho dispositivo se denomina dispositivo con " lógica dura" trabajar. Y si los cambios en las funciones realizadas se realizan utilizando señales externas adicionales (en las llamadas entradas de control), entonces dichos MEA deberían clasificarse como "controlados por software". Por ejemplo, los circuitos integrados de unidades aritméticas lógicas (ALU) pueden implementar operaciones aritméticas o lógicas con dos números binarios de varios bits. Y la configuración para realizar operaciones aritméticas (o lógicas) se realiza mediante una señal externa adicional, dependiendo de cuyo valor se realizarán las acciones deseadas. Por lo tanto, las ALU deben clasificarse como MEU controladas por software.

Según la tecnología de fabricación. Todos los circuitos integrados se dividen en:

Semiconductor;

Película;

Híbrido.

EN semiconductor Todos los componentes y conexiones del IC se realizan en el volumen y en la superficie del cristal semiconductor. Estos circuitos integrados se dividen en bYpolar microcircuitos (con polaridad fija de voltajes de suministro) y en unipolar con la capacidad de cambiar la polaridad de la tensión de alimentación. Dependiendo del diseño del circuito del "contenido interno", los microcircuitos bipolares se dividen en los siguientes tipos:

Lógica transistor-transistor TTL;

Lógica transistor-transistor TTLsh con transistores y diodos Schottky;

Lógica ESL acoplada al emisor;

Y lógica de inyección de 2 L y otros.

Los microcircuitos de tecnología unipolar se fabrican sobre transistores MOS ("semiconductor dieléctrico de metal"), o sobre transistores MOS ("semiconductor de óxido de metal"), o sobre transistores CMOS ("semiconductor de óxido de metal" complementario).

EN película En un circuito integrado, todos los componentes y conexiones se realizan únicamente en la superficie del cristal semiconductor. Distinguir película delgada(con un espesor de capa inferior a 1 micrón) y película gruesa con un espesor de película de más de una micra. Los circuitos integrados de película delgada se fabrican mediante deposición térmica al vacío y pulverización catódica, mientras que los circuitos integrados de película gruesa se fabrican mediante serigrafía seguida de quema de aditivos.

Híbrido Los circuitos integrados constan de componentes "simples" y "complejos" ubicados en el mismo sustrato. Como componentes complejos se suelen utilizar chips CI semiconductores o de película. Los simples incluyen componentes electrónicos discretos (transistores, diodos, condensadores, inductores, etc.). Todos estos componentes se ubican estructuralmente sobre un mismo sustrato y sobre él también se realizan las conexiones eléctricas entre ellos. Además, un sustrato con los componentes ubicados en él forma una "capa" de un CI híbrido. Distinguir monocapa Y multicapa CI híbridos. El CI híbrido multicapa es capaz de realizar funciones de procesamiento de señales bastante complejas. Un microcircuito de este tipo equivale en acción a un "microbloque" de dispositivos o, si está destinado a un uso independiente, a la acción de un bloque "completo".

Además, cualquier microcircuito se evalúa cuantitativamente. espectáculoAtelecomunicaciones su complejidad. Como tal indicador, “ grado integración» k, igual al logaritmo decimal de la cantidad total norte componentes colocados en un chip semiconductor, es decir

k = lq norte. (1)

De acuerdo con la fórmula (1), todos los microcircuitos se dividen en microcircuitos del primer, segundo, tercer, etc., grados de integración. El grado de integración caracteriza solo indirectamente la complejidad de los microcircuitos, ya que solo tiene en cuenta constructivo integración. De hecho, la complejidad del microcircuito también depende del número de conexiones mutuas entre los componentes.

En la práctica de la ingeniería, una característica cualitativa de la complejidad de los microcircuitos se utiliza en los conceptos de circuitos integrados "pequeños", "medianos", "grandes" y "extragrandes".

La Tabla 1.1 proporciona información sobre la correspondencia mutua de medidas cualitativas y cuantitativas de complejidad de SI por sus tipos.

Tabla 1.1

nombre de IP		Tecnología de fabricación	Número de componentes en chip	Grado de integración k
Pequeño (MIS)	Digital	Bipolar
		unipolar
	Cosa análoga	Bipolar
Promedio (SIS)	Digital	Bipolar
		unipolar
	Cosa análoga	Bipolar
		unipolar
Grande (BIS)	Digital	Bipolar
		unipolar
	Cosa análoga	Bipolar
		unipolar
Extra grande (VLSI)	Digital	Bipolar
		unipolar	Más de 10000
	Cosa análoga	Bipolar
		unipolar

Del análisis de la Tabla 1.1 se desprende que, en comparación con los circuitos integrados digitales, los microcircuitos analógicos con los mismos grados de integración tienen más de tres veces menos componentes (en un chip semiconductor). Esto se debe a que los componentes activos (transistores) de un chip analógico funcionan en modo lineal y disipan más energía. La necesidad de eliminar el calor generado por la disipación de energía limita la cantidad de componentes colocados en un solo chip. En los microcircuitos digitales, los componentes activos funcionan en modo de conmutación (los transistores están bloqueados o abiertos y en modo de saturación). En este caso, la disipación de potencia es insignificante y la cantidad de calor generado también es insignificante y por lo tanto se puede colocar mayor número de componentes en el chip. (Las dimensiones de los cristales están estandarizadas y limitadas). Con la tecnología unipolar, el volumen del cristal ocupado por un transistor de efecto de campo es aproximadamente tres veces menor que el volumen ocupado por un transistor bipolar ( norte- pag- norte o pag- norte- pag tipo). Esto explica el hecho de que se pueden colocar más componentes activos en un chip de tamaños estándar en un microcircuito unipolar.

Por diseño Según la complejidad funcional, los dispositivos microelectrónicos se dividen en:

a microcircuitos simples (IC);

para microconjuntos;

a microbloques.

CI Producto microelectrónico fabricado en tecnología unificadaohciclo lógico, adecuado para uso independiente o como parte de productos más complejos (incluidos microconjuntos y microbloques). Los microcircuitos pueden estar sin marco y tener una carcasa individual que protege el cristal de influencias externas.

Microensamblaje un producto microelectrónico que realiza una función (funciones) bastante compleja y consta de componentes y microcircuitos eléctricos y de radio, fabricados con el fin de miniaturizar equipos electrónicos. Básicamente, los chips híbridos son microensamblajes. El microconjunto más simple puede ser, por ejemplo, un conjunto de microresistencias fabricadas sobre un cristal semiconductor y alojadas en un solo paquete (como un microcircuito).

Microbloque También es un producto microelectrónico, consta de componentes eléctricos y radioeléctricos y circuitos integrados y realiza funciones complejas.

Como regla general, los microconjuntos y microbloques se fabrican en diferentes ciclos tecnológicos y, quizás, en diferentes plantas de fabricación.

Como características técnicas de clasificación usualmente usado consumo de energía(un chip) y rápidothefecto.

Por consumo de energía Todos los circuitos integrados se pueden dividir en: A) microohpoderoso(menos de 10 mW); b) baja potencia(no más de 100 mW); V) potencia media(hasta 500 mW) Y GRAMO) poderoso(más de o = 0,5 W.).

Por velocidad(retrasos de tiempo máximos para la propagación de la señal a través del IC), los microcircuitos se dividen condicionalmente en: A) ultrarrápido con frecuencia de corte F g conmutaciones superiores a 100 megahercio; b) de acción rápida ( F g de 50 megahercio hasta 100 megahercio); V) velocidad normal ( F gramos a partir de 10 megahercio hasta 50 megahercio). En este caso, los retrasos en la propagación son del orden de unos pocos nanosegundos (10 -9 Con.) hasta 0,1 microsegundos (1 s = 10 -6 Con.).

Dispositivos microelectrónicos digitales, incluidos microcircuitos y otros. dispositivos de acción discreta, conveniente para clasificar Por incógnita A naturaleza de la adicción señales de salida a partir de señales de entrada. Como es habitual en la teoría de las máquinas de estados finitos. De acuerdo con esta característica, todos los dispositivos generalmente se dividen en combinacional Y secuencial.

EN dispositivos combinacionales los valores de las señales de salida en cualquier momento están determinados únicamente por los valores de las señales de entrada en el mismo momento. Por tanto, podemos suponer que el funcionamiento de dichos dispositivos no depende del tiempo. También se les llama dispositivos “sin” memoria», ciclo único Dispositivos o dispositivos de simple efecto. En la teoría de máquinas de estados finitos, los dispositivos combinacionales se denominan "máquinas de estados finitos primitivas".

EN dispositivos seriales los valores de las señales de salida (señales de salida) dependen de los valores de las señales de entrada no solo en el momento considerado, sino también de los valores de las señales de entrada en momentos anteriores. Por lo tanto, estos dispositivos se denominan dispositivos con " memoria», multiciclo dispositivos, pero en la teoría de máquinas de estados finitos, ¿simplemente? máquina de estados finitos(no trivial).

Al considerar el material educativo, en el futuro, para principal tomemos este clasificación, porque métodos de construcción(síntesis) y procesos de funcionamiento de los dispositivos nombrados significativamente diferenteAhay.

Al concluir la presentación de las cuestiones de clasificación, observamos que la lista dada de características de clasificación y la lista de nombres de productos microelectrónicos (chips) está lejos de ser exhaustiva. En el futuro, según sea necesario, agregaremos a esta lista.

1.3. Elementos lógicos

Elementos lógicos Pertenecen a los "dispositivos" combinacionales más simples, que tienen una salida y una o dos entradas. Obtuvieron su nombre porque su funcionamiento se puede describir completamente. funciones lógicas y en particular funciones booleanas.

Como en la lógica formal, todas las afirmaciones pueden ser verdaderas o falsas, y las funciones lógicas pueden tomar sólo dos valores condicionales: uno lógico (log.1) "verdadero" y cero lógico (log.0) "falso".

Al describir el funcionamiento de elementos lógicos. señales de salida poner en correspondencia uno a uno funciones, A señales de entrada argumentos estas funciones. Por tanto, tanto las funciones como los argumentos de las funciones, así como las señales de entrada y salida de las puertas lógicas, son binarios. Si descuidamos el tiempo real de transición de un elemento lógico de un estado (estado log.1) a otro (estado log.0), entonces ni los argumentos ni las funciones dependerán del factor tiempo de la variable tiempo. Se consideran reglas para obtener y convertir expresiones lógicas. álgebra de la lógica o booleanoálgebra.

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El estudio de los circuitos digitales debe comenzar con la teoría de los autómatas. En este artículo podrás encontrar algunas cosas básicas que te ayudarán a no perderte en futuros artículos. Intenté que el artículo fuera fácil de leer y estoy seguro de que un lector no capacitado podrá entenderlo fácilmente.

Señal- un medio de almacenamiento de material utilizado para transmitir mensajes a través de un sistema de comunicación. Una señal, a diferencia de un mensaje, se puede generar, pero no es necesaria su recepción (el mensaje debe ser aceptado por el receptor, de lo contrario no es un mensaje, sino solo una señal).

El artículo analiza una señal discreta digital. Esta es una señal que tiene varios niveles. Es obvio que señal binaria tiene dos niveles, y se toman como 0 y 1. Cuando un nivel alto se denota por uno y un nivel bajo por cero, dicha lógica se denomina positiva; en caso contrario, negativa.

Una señal digital se puede representar como un diagrama de tiempos.

En la naturaleza no existen señales discretas, por lo que son sustituidas por señales analógicas. Una señal analógica no puede pasar de 0 a 1 instantáneamente, por lo que dicha señal tiene un flanco ascendente y un flanco descendente.
Si lo dibujas de forma simplificada, se ve así:

1 - nivel de señal bajo, 2 - nivel de señal alto, 3 - aumento de señal (flanco), 4 - caída de señal (corte)

Las señales se pueden convertir. Para ello, en la práctica se utilizan elementos lógicos, y para escribirlo formalmente se utilizan funciones lógicas. Aquí están los principales:

Negación: invierte la señal.
En los diagramas se indica lo siguiente:

O lógico (suma lógica, disyunción)

En el diagrama:

AND lógico (multiplicación lógica, conjunción)

En el diagrama:

Los dos últimos pueden tener una salida negativa (NAND, NOR). Los valores de sus funciones lógicas se invierten y la salida se dibuja como un círculo en el diagrama.

Una tabla resumen de funciones lógicas de dos argumentos se ve así:

Trabajar con funciones lógicas se basa en las leyes del álgebra lógica, cuyos conceptos básicos se describen en el archivo adjunto. También hay tareas de autocontrol y preguntas de prueba sobre el tema.

Diseño de circuitos lógicos utilizando funciones de álgebra lógica

circuito lógico es un conjunto de elementos electrónicos lógicos conectados entre sí de tal manera que se cumple una determinada ley de funcionamiento del circuito, es decir, se realiza una determinada función lógica.
Según la dependencia de la señal de salida de la señal de entrada, todos los circuitos lógicos electrónicos se pueden dividir en:

Esquemas del primer tipo., es decir. circuitos combinacionales, cuya señal de salida depende únicamente del estado de las señales de entrada en cada momento;

Esquemas del segundo tipo. o circuitos de acumulación(esquemas secuencial), que contiene circuitos de acumulación ( elementos con memoria), cuya señal de salida depende tanto de las señales de entrada como del estado del circuito en momentos anteriores.

Dependiendo del número de entradas y salidas, los circuitos pueden ser: con una entrada y una salida, con varias entradas y una salida, con una entrada y varias salidas, con varias entradas y salidas.

Según el método de sincronización, los esquemas se dividen en con sincronización externa (máquinas síncronas), con sincronización interna(Los autómatas asincrónicos son su caso especial).

Casi cualquier computadora consta de una combinación de circuitos del primer y segundo tipo de diversa complejidad. Así, la base de cualquier máquina digital que procese información digital son elementos electrónicos de dos tipos: lógico o combinacional Y memorizando. Los elementos lógicos realizan las operaciones lógicas más simples sobre información digital y los elementos de almacenamiento sirven para almacenarla. Como se sabe, operación lógica Consiste en convertir información digital de entrada en salida según ciertas reglas.

Podemos suponer que las funciones lógicas elementales son operadores lógicos los elementos electrónicos mencionados, es decir esquemas Cada uno de estos esquemas está designado por un específico símbolo gráfico. (Fueron presentados arriba - Elementos Y, O, NO, NI-NO, Y-NO)

Como ejemplo, a continuación se muestra un diagrama eléctrico funcional de un convertidor lógico (máquina combinada) que implementa una función lógica. en una base elemental de elementos lógicos Y, O, NO.

Para consolidar, propongo sintetizar de forma independiente un circuito lógico que implemente las siguientes funciones lógicas:

Esto se puede hacer, por ejemplo, en Electronic Workbench.

A continuación se muestra un ejemplo de la primera tarea completada: