Логические элементы

запрет (рис. 10.102, г)

F = x₁x₂;

равнозначность (рис. 10.102, д)-

F = x₁x₂ + x₁x₂.

По схемотехнической реализации различают серии элементов ДТЛ [диодно-транзисторная логика, ТТЛ [транзисторно-транзисторная логика на биполярных транзисторах, МДПТЛ [то же на МДП-транзисторах, КМДПТЛ [то же на взаимодополняющих или комплементарных МДП-транзисторах, ТТЛШ (то же с транзисторами Шотки), ЭЛС [эмиттерно-связанная логика и И²Л (инжекционная ло­гика).

Рабочие свойства логических элементов определяет ряд параметров:

быстродействие - время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов (см. рис. 10.98, в);

нагрузочная способность или коэффициент разветвления - число входов, которые можно подключить к одному выходу;

помехоустойчивость - максимально допустимый уровень напряже­ния помехи, не вызывающий ложного переключения;

степень генерирования помех - интенсивность колебаний тока при переключении элементов;

мощность рассеяния - мощность потерь энергии в элементах.

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют информацию о сигнале в аналоговой форме, т. е. о напряжении, непрерывном во вре­мени, в информацию о нем в форме цифрового кода — обычно в дво­ичной системе счисления. Они применяются, например, в АСУ техноло­гическими процессами для ввода информации в управляющую ЭВМ от датчиков состояния объекта управления.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют цифровой двоичный код в аналоговое выходное напряжение. Это позволяет, на­пример, использовать цифровой двоичный код для управления рабо­той исполнительных механизмов, таких как электрические двигатели, реле, выключатели и т. д.

3. Микропроцессоры

Программируемые цифровые и логические устройства представляют собой универсальные технические средства для создания электронных устройств различного назначения.

Они основаны на применении арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические операции над входными величинами А и В в двоичном коде в зависимости от сигналов на управляющих входах М, So. S₁, S₂, S₃, и на переносе Pо из внешних цепей (рис. 10.124, а). Результат операции определяется сово­купностью сигналов на выходах F и переноса Р₄ из старшего разряда. При М = 0 выполняются арифметические (сложение А и В, сложение А и В с добавлением Р₀ в младший разряд и т. д.), а при М = 1 — логические (F == , F = и т. д.) операции. Комбинация сиг­налов Sо...Sз определяет, какая именно операция выполняется.

Несмотря на разнообразие операций, выполняемых АЛУ, им при­сущи недостатки: отсутствуют операции умножения, деления и т. д. Эта ограниченность преодолена в микропроцессорах.

Микропроцессор (МП) — это информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, т. е. реализует операции: арифметические, логические, ввода, вывода и т. д.

Упрощенная структурная схема одного из МП (рис. 10.124, б) со­стоит из АЛУ и совокупности п параллельных регистров по m разря­дов общего назначения (РОН) для хранения двоичных чисел, исполь­зуемых в процессе вычислений. В состав МП входят также два па­раллельных буферных регистра (БР), предназначенных для кратко­временного хранения чисел А и В во время выполнения операции АЛУ, и устройство управления (УУ), которое задает режимы работы всех элементов МП.

При работе МП числа А и В, над которыми выполняется операция, передаются по магистрали последовательно из РОН на буферные ре­гистры БРА и БРВ. Затем по команде АЛУ производит указанную операцию, а результат ее по внутренней магистрали передается в РОН. Обычно для этой цели выделяется специальный регистр РОН, назы­ваемый аккумулятором, в котором ранее записанное число стирается. Например, сложение трех чисел выполняется таким образом: сначала складываются два первых числа и результат записывается в РОН. За­тем в АЛУ поступают результат этого сложения и третье число, вычис­ляется окончательный результат и записывается в РОН.

Последовательность выполнения операций практически не ограни­чивает функциональные возможности МП. Однако эффективность при­менения МП значительно возрастает, если его снабдить дополнитель­ными устройствами для хранения информации и обмена ею с внешни­ми устройствами.

МикроЭВМ - это устройства на основе МП, а также запоминающих устройств (ЗУ), устройств управления и средств связи с периферийны­ми устройствами (интерфейс). Управляющая микроЭВМ должна иметь средства сопряжения с объектом управления: датчики, АЦП, ЦАП. Совокупность микроЭВМ и средств сопряжения образует микропро­цессорную систему.

Структурная схема микроЭВМ (рис. 10.125) содержит устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв), порты ввода и вывода, центральный МП с АЛУ, устройством управления и регистрами общего назначения, а также постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ) запоминающие устройства.

В качестве УВв служат магнитные головки, телетайпы, АЦП: в ка­честве УВыв - дисплеи, печатающие устройства, ЦАП и т. п. Порты ввода и вывода предназначены для кратковременного хранения ин­формации в процессе ввода, вывода и переключения каналов.

Входная информация делится на данные, над которыми выполня­ются операции, и программу, т. е. последовательность команд, описы­вающих выполняемые операции. Данные и программа задаются сово­купностью слов разной длины в виде двоичных чисел с числом разря­дов, кратным 8 (1 байт).

Данные УВв поступают в порт ввода. Сигналы управления выбирают необходимый порт, обеспечивают запись данных, временное хранение в порте, а затем их передачу в магистраль данных, состоящих из сово­купности т проводящих линий, обеспечивающих передачу m-разрядного слова. При магистральной организации связей элементы микроЭВМ подключаются к единой магистрали через буферные усилители, кото­рые могут находиться в одном из трех состояний:

1) передача данных в магистраль,

2) прием данных из магистрали;

3) отключение от магистрали

Сигналами управления можно отдельные элементы микроЭВМ по­ставить в режим передачи информации в магистраль, другие — в режим приема информации, остальные — отключить. Кроме магистрали дан­ных (МД) есть еще и магистраль управления (МУ).

Для того чтобы работа МП не зависела от быстродействия УВв, дан­ные и программа перед ее выполнением записываются в ОЗУ микро­ЭВМ. Объем ОЗУ для микроЭВМ составляет единицы и десятки кило­байт (1 Кбайт = 2¹⁰ байт, т. е. 1024 восьмиразрядных слова). Кроме того, может подключаться внешняя память, например в виде устройств с гибкими магнитными дисками.

Последовательность работы МП:

1) считывание команды из памяти; номер ячейки памяти, где хра­нится первая команда, заносится в счетчик команд; после выполнения команды число в счетчике автоматически увеличивается на 1, что обес­печивает последовательность выполнения команд программы;

2) при каждом положении счетчика команд происходит считывание из памяти следующей информации: кода операции, которая выполня­ется по данной команде, и числа или его адреса, над которым команда выполняется;

3) выполнение команды.

После выполнения команды " считывание" выполняется команда из следующей ячейки памяти, и цикл повторяется.

Устройство управления при помощи генератора тактовых сигналов (ГТС) обеспечивает требуемую последовательность работы элементов для выполнения команды. Выполнение одной команды происходит за несколько машинных циклов, каждый из которых содержит несколько периодов работы ГТС.

Команды в МП представляются в виде многоразрядных двоичных слов, например, команда " Послать в РОН содержимое ячейки памяти с номером 15488" выглядит так:

где первый байт - это код операции, содержимое второго и третьего байтов — код номера ячейки памяти (15 488 в двоичном коде).

Записи программ проще на языке Ассемблер, который допускает запись команд с клавиатуры или перфоленты в форме, отражающей их смысловое содержание. Например, команда ADD - сложение, MOV - передача данных и т. п. Перевод языка Ассемблер на язык двоичных кодов производится специальной программой, которая размещается, например, в ПЗУ микроЭВМ.

Аналогично можно применять для программирования на микро­ЭВМ языки высокого уровня: ФОРТРАН, ПЛ и др. При этом, однако, упрощение программирования сопровождается увеличением времени трансляции и необходимого объема памяти машины. Для управляю­щих микроЭВМ, встроенных в различные устройства и работающих в реальном масштабе времени, такое программирование, как правило, неприемлемо.