Виды цифровых устройств и схем

Цифровые устройства предназначены для обработки цифровых сигналов, которые изменяются по закону дискретной функции, т.е. являются квантованными по уровню и заданы в дискретные моменты времени. Любые процессы и преобразования цифровой информации, какими бы сложными они ни были, могут быть сведены к простейшим операциям с логическими переменными 0 и 1.

Цифровые устройства классифицируют по ряду признаков:

1. По способу ввода-вывода информации различают последовательные, параллельные и смешанные

2. По способу функционирования различают синхронные и асинхронные устройства

3. По отношению к собственному состоянию при изменении входных сигналов различают устройства с памятью (последовательностные устройства) и без памяти (комбинационные устройства).

Различают комбинационные и последовательностные ЦУ:

1. В комбинационном устройстве (называемом также автоматом без памяти) цифровой сигнал на выходе определяется лишь значениями сигналов, действующими в данный момент времени на входах устройства, и не зависит от того, какие значения они принимали ранее. В этом смысле комбинационные устройства лишены памяти (они не хранят сведений о прошлом работы устройства).

2. В последовательностных устройствах (или автоматах с памятью) выходной сигнал определяется не только набором символов, действующих на входах в данный момент времени, но и внутренним состоянием устройства, а последнее зависит от того, какие наборы символов действовали на входах во все предшествующие моменты времени в процессе работы устройства. Поэтому можно говорить, что последовательностные устройства обладают памятью (они хранят сведения о прошлом работы).

Математической основой описания работы подобных устройств является алгебра логики или булева алгебра, оперирующая с переменными, принимающими только два значения: событие истинно или событие ложно.

В структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: элементы, узлы, блоки и устройства. Элементы предназначаются для обработки единичных электрических сигналов, соответству­ющих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную об­работку группы сигналов — информационных слов. Блоки реали­зуют некоторую последовательность в обработке информацион­ных слов. Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Цифровые или дискретные устройства обработки информации предназначены для преобразования элементов данных, принимающих ко­нечный дискретный набор значений. Каждый элемент данных характеризу­ется, по крайней мере, двумя атрибутами: именем, выделяющим этот эле­мент среди всех элементов, и значением. Например, элемент данных,, представляющий бит информации, может принимать только одно из двух значений, а именно: 0 или 1.

Принципиальная схема представляет собой аппаратурную реализацию структурной формулы устройства, которая должна осуществить необходимые преобразования над входными сигналами, соблюдая их последовательность.

Одним из наиболее удобных методов проектирования цифровых устройств является сведение сложного алгоритма, определяющего необходимые преобразования входного цифрового сигнала, сочетанием ряда более простых. Это объясняется, с одной стороны, трудностями и громоздкостью анализа при формализации задания на устройство, а с другой – возможностью интуитивного его сведения к последовательности типовых преобразований. К преимуществам подобного подхода к разработке цифровых схем относится наличие развитой элементной базы, содержащей большое число готовых типовых функциональных узлов в своем составе.

Выпускаемые в виде законченных ИМС функциональные узлы, как и логические элементы, характеризуется ограниченным числом входов. Более того, часто необходимое преобразование сигнала не полностью реализуется возможностями выбранной ИМС. В результате часто оказывается, что реализация этих устройств на логических элементах предпочтительнее, что особенно существенно при разработке нетиповых узлов. Поэтому знание методов решения некоторых типовых задач цифровой схемотехники позволяет заметно упростить процесс разработки новых устройств.

Цифровые вентили

Всякое цифровое устройство строится из логических элементов, называемых вентилями, и элементов памяти.

Вентили реализуют логические функции, в числе которых прежде всего следует упомянуть функции двух переменных И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и функцию одной переменной НЕ. Условные графические изображения вентилей и функции, реализуемые ими, приведе­ны на рисунке 1.1.

Входы и выходы вентилей принимают логические значения 0 и 1, представ­ляемые, например, уровнями напряжения при электронной реализации вен­тилей или уровнями давления при пневматической реализации. Какой уро­вень напряжения считать 0, а какой 1 при электронной реализации вентилей — служит предметом договоренности.

Рисунок 1.1 – Условное графическое обозначение и таблицы истинности цифровых вентилей

Элементы данных хранятся в элементах памяти. Для хранения данных, принимающих 2ⁿ различных значений, может быть использован упорядо­ченный набор из п элементов памяти, n Î{1,2,...}, каждый из которых спо­собен хранить 1 бит информации. Так, в случае n = 3 набор различных зна­чений состоит из следующих восьми: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Например, при хранении значения 011 первый элемент памяти хранит зна­чение 0, второй — 1 и, наконец, третий элемент также хранит значение 1.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: