UKŁDAY CYFROWE Układy cyfrowe są w praktyce realizowane różnymi technikami. W prostych urządzeniach automatyki powszechnie stosowane są układy elektryczne, wykorzystujące przekaźniki jako podstawowe elementy przełączające. Złożoność logiczna i szybkość działania takich układów jest jednak niewielka, natomiast ich rozmiary, ciężar, pobór mocy i koszt są duże. Najpowszechniej stosowane układy cyfrowe wytwarzane są technologią mikoroelektroniczną jako układy scalone.
UKŁAD SCALONY Układ scalony stanowi fizycznie wykonany mikrominiaturowy układ elektroniczny, którego część lub wszystkie elementy i ich połączenia są wytworzone we wspólnym procesie technologicznym, wewnątrz lub na powierzchni wspólnego podłoża. Cyfrowe układy można podzielić ze względu na różne kryteria, na przykład sposób przetwarzania informacji, technologię wykonania.
Układy sekwencyjne i kombinacyjne Ze względu na sposób przetwarzania informacji wyróżniamy dwie grupy układów cyfrowych: sekwencyjne oraz kombinacyjne. W układach sekwencyjnych wynik na wyjściu zależy od stanu na wejściu oraz stanu poprzedniego. Stan poprzedni nazywany jest stanem wewnętrznym i przechowywany jest w wewnętrznej pamięci układu zwanej REJESTREM.
Układy sekwencyjne i kombinacyjne Wyróżniamy dwie odmiany układów sekwencyjnych asynchroniczne i synchroniczne. Układy kombinacyjne charakteryzują się tym, że ich stan wyjściowy zależy wyłącznie od stanu na wejściu.
Układy bipolarne i unipolarne Układy cyfrowe dzielimy również ze względu na technologię wytwarzania tranzystorów, z których wytwarzane są funktory logiczne. Wyróżniamy układy bipolarne i unipolarne.
Układy bipolarne i unipolarne Układy bipolarne TTL (ang. Transistor-Transistor Logic) jedna z najstarszych odmian układów scalonych, zaprojektowanych w 1961 była pierwszą techniką masowej produkcji cyfrowych układów scalonych, układy cyfrowe w standardzie TTL są nadal w szerokim użyciu. Układ scalony SN7400N
TTL - Transistor-Transistor Logic Układy TTL zbudowane są z tranzystorów bipolarnych i zasila się je napięciem stałym 5 V. Działają w logice dodatniej - sygnał niski jest zdefiniowany jako napięcie od 0 V do 0,8V, a wysoki 2 V do 5 V. Układy TTL pobierają w stanie statycznym ze źródła zasilania dużo prądu, a im szybszy układ, tym pobór mocy jest większy.
Układy bipolarne i unipolarne Układy unipolarne CMOS (ang. Complementary MOS) budowane są na bazie tranzystorów polowych MOS dzięki czemu charakteryzują się małym poborem mocy. Układy CMOS mogą być zasilane szerszym zakresem napięć niż TTL, w zależności od wersji może to być od 2 do 6 V lub od 3 do 15 V. Większość układów dla komputerów budowana jest w technologii CMOS. Matryca CMOS
Układy komutacyjne są to układy umożliwiające przełączanie (komutację) sygnałów cyfrowych.
Do układów komutacyjnych zaliczamy kodery, dekodery, transkodery, multipleksery i demultipleksery.
Binary Coded Decimal Kody dwójkowo-dziesiętne nazywane kodami NBC. Kod 1 z n. np. zastosowany w klawiaturze komputerowej jeżeli jeden przycisk jest wciśnięty to reszta jest zblokowana.
Kodery (enkodery) są to układy realizujące proces zamiany informacji kodowanej w kodzie 1 z n na kod wewnętrzny urządzenia (kod, w którym pracuje system). Znajduje on zastosowanie np. do wprowadzania informacji z prostej klawiatury i tłumaczenie jej na kod zrozumiały dla układu cyfrowego.
Przykład kodera TTL 74148 EI 0 1 2 3 4 5 6 7 A B C GS EO 1 X X X X X X X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 1 0 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1
Dekoder działa odwrotnie do kodera, tzn. zamienia kod dwójkowy na wejściu na określony kod wyjściowy 1 z n. Ma więc n wyjść, przy czym każdemu ze słów wejściowych jest przyporządkowany sygnał aktywny (zwykle logiczne zero), pojawiający się tylko na wybranym, jednym z n wyjść (pozostałe zmienne wyjściowe mają wartość przeciwną). Przykładem dekodera jest układ scalony TTL 7442
Przykład dekodera TTL 7442 A0 A1 A2 A3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
Transkoderami nazywamy układy zmieniające jeden kod na inny, z których żaden nie jest kodem typu 1 z n. Najczęściej stosowanym transkoderem jest układ TTL 7447 zamieniający kod BCD 8421 na kod wskaźnika siedmiosegmentowego.
Układ TTL 7447
Multipleksery (zwane selektorami danych) służą do wyboru jednego z kilku sygnałów wejściowych i przekazania go na wyjście układu. Jest układem przełączającym sygnały cyfrowe.
Multiplekser jest układem posiadającym k wejść informacyjnych (zwanych też wejściami danych), n wejść adresowych (sterujących) (zazwyczaj k=2^n) i jedno wyjście y. Posiada też wejście sterujące działaniem układu oznaczane S. Jego działanie polega na połączeniu jednego z wejść x z wyjściem y. Numer wejścia jest określany przez podanie jego numeru na linie adresowe a.
Demultipleksery umożliwiają przesłanie do jednego z wyjść układu sygnału doprowadzonego do jego wejścia. Pozostałe wyjścia pozostają w jednym ze stanów ( niskim (0) lub wysokim (1)) w zależności od typu demultipleksera.
Demultiplekser jest układem posiadającym jedno wejście x, n wejść adresowych, oraz k wyjść (zazwyczaj k=2n). Jego działanie polega na połączeniu wejścia x do jednego z wyjść y. Numer wyjścia jest określany przez podanie jego numeru na linie adresowe a 0... a n-1.
Multipleksery i demultipleksery służą do budowy złożonych układów kombinacyjnych, przede wszystkim toru transmisji danych cyfrowych. W technice komputerowej multipleksery i demultipleksery mają zastosowanie m.in. W sterowaniu klawiaturą, czy układami adresowania pamięci RAM.
Przerzutnik (z ang. flip-flop) jest to podstawowy element pamiętający każdego układu cyfrowego, przeznaczonego do przechowywania i ewentualnego przetwarzania informacji. Przerzutnik współtworzy najniższe piętro struktury układu i zdolny jest do zapamiętania jednego bitu informacji. Grupa czterech lub ośmiu połączonych ze sobą przerzutników tworzy następne, wyższe piętro - tzw. rejestr, zdolny już do pamiętania jednego bajtu informacji.
Przerzutniki stosuje sie do przechowywania małych ilości danych, do których musi być zapewniony ciągły dostęp. Jest to spowodowane fizycznymi i funkcjonalnymi cechami przerzutników. Są one większe od pojedynczej komórki pamięci, ale pozwalają pozostałym częściom układu na bezpośredni dostęp do przechowywanych danych.
Ze względu na łatwy odczyt i zapis, przerzutniki są szczególnie często stosowane w celu: Pamiętania stanu układu, Przechowywania obecnie przetwarzanego słowa danych, Implementacji liczników
Przerzutniki możemy podzielić na: Asynchroniczne pracują bez sygnału taktującego, a stan przerzutnika ustala się bezpośrednio w wyniku zmiany stanu wejść, Synchroniczne pracujące z udziałem sygnału taktującego, a stan wejść informacyjnych jest przekazywany na wejście w chwili występowania określonego poziomu sygnału taktującego.
Wyróżniamy: Przerzutnik typu D Przerzutnik typu T Przerzutnik typu RS Przerzutnik typu JK
Przerzutnik typu D Ma jedno wejście informacyjne D, wyjście zegarowe C oraz dwa wyjścia proste i zanegowane. Może mieć wejście programujące s i r. D Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 Tablica stanów Symbol graficzny
Przerzutnik typu T Ma jedno wejście informacyjne T, wyjście zegarowe C oraz dwa wyjścia proste i zanegowane. Może mieć wejście programujące s i r. T Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Tablica stanów Symbol graficzny
Przerzutnik typu RS Ma dwa wejścia informacyjne S i R, wyjście zegarowe C oraz dwa wyjścia proste i zanegowane. Symbol graficzny
Przerzutnik typu JK Ma dwa wejścia informacyjne J i K, wyjście zegarowe C oraz dwa wyjścia proste i zanegowane. Może mieć wejście programujące s i r.
Licznik zbudowany jest najczęściej z kilku równolegle lub szeregowo połączonych przerzutników, zaliczany jest do układów cyfrowych sekwencyjnych i służy do zliczania i pamiętania liczby impulsów podawanych na jego wejście zliczające. Każdy licznik ma określoną pojemność P (długość cyklu), tzn. może zliczyć określoną liczbę impulsów. Pojemność zależy od liczby przerzutników n wchodzących w skład licznika i wynosi P = 2 n
PODZIAŁ LICZNIKÓW: 1. Ze względu na liczbę P stanów występujących w jednym pełnym cyklu zliczania; 2. Pod względem długości cyklu; 3. Pod względem kierunku zliczania: jednokierunkowe liczące w przód (dodające), jednokierunkowe liczące wstecz (odejmujące), dwukierunkowe rewersyjne (dodające i odejmujące) 4. Pod względem sposobu oddziaływania impulsów: asynchroniczne (szeregowe), synchroniczne (równolegle), asynchroniczno synchroniczne.
Liczniki szeregowe i równoległe Licznik złożony z n przerzutników, który jest w stanie zliczyć do 2 n impulsów nazywa się szeregowymi. Poza zliczaniem bywają one wykorzystywane do dzielenia częstości. Wadą liczników szeregowych jest występowanie stanów nieustalonych. Czas trwania stanu nieustalonego jest tym dłuższy, im większa jest liczba przerzutników. Szybkie liczniki o dużej pojemności buduje się więc jako liczniki równoległe.
Licznik scalony 90 układ ten zawiera cztery przerzutniki synchroniczne typu MS, z których pierwszy (A) jest jednobitowym licznikiem, a trzy pozostałe (D, C, B,) tworzą licznik mod5. Trzy przerzutniki (A, B, C,) są przerzutnikami typu JK, a czwarty przerzutnik (D) jest przerzutnikiem RS.
SUMATORY SUMATOR to cyfrowy układ kombinacyjny, który wykonuje operacje dodawania dwóch (lub więcej) liczb dwójkowych. Wyróżniamy dwa główne rodzaje sumatorów: z przeniesieniami szeregowymi (dodają podczas każdej operacji dwa bity składników oraz bit przeniesienia), z przeniesieniami równoległymi (wielopozycyjne, składające się z kilku sumatorów jednobitowych).
Do sumatorów równoległych zaliczymy: sumatory z przeniesieniem szeregowym oraz z przeniesieniem równoległym.
Rejestry Rejestry są układami sekwencyjnymi zbudowanymi z przerzutników, najczęściej synchronicznych typu D, i służących do przechowywania informacji. Liczba bitów informacji, jaka może być przechowywana w rejestrze, jest nazywana długością rejestru i odpowiada zawsze liczbie przerzutników, z których jest zbudowany rejestr.
Wprowadzanie informacji do rejestru Informacja może być wprowadzana do rejestru na dwa sposoby: szeregowo (bit po bicie w takt sygnału zegarowego) równolegle (całe słowo wejściowe jest zapisywane jednocześnie w chwili wyznaczonej przez sygnał taktujący) Wyprowadzenie informacji przechowywanej w rejestrze może także odbywać się na te dwa sposoby.
W związku z tymi sposobami wprowadzania informacji wyróżnia się następujące rodzaje rejestrów: szeregowo-szeregowy, zapis i odczyt jest realizowany szeregowy szeregowo-równoległy, zapis informacji odbywa się szeregowo, a wyprowadzana równolegle równolegle-szeregowy, zapis jest realizowany równolegle a odczyt szeregowo równolegle-równoległy, zapis i odczyt dobywa się równolegle
Parametry rejestrów długość rejestru jest równa liczbie przerzutników n, pojemność rejestru jest równa 2n i określa maksymalną ilość różnych informacji, które mogą być zapamiętane w rejestrze, szybkość pracy rejestru dla rejestru równoległego będzie to czas trwania wprowadzenia i wyprowadzenia informacji; dla rejestru szeregowego będzie to maksymalna częstotliwość impulsów zegarowych, przy której przesuwanie kombinacji nie ulega jeszcze zniekształceniu
Budowa i zasada działania rejestrów Najprostszym rejestrem jest przerzutnik typu D. Rejestry powszechnie występują w procesorach, układach wejścia-wyjścia.