на головну | список тем | перегляд презинтацій | самотестування | історія створення

 

 

 

 

Тема2. Моделі і рівні представлення цифрових пристроїв.

Кожна мікросхема перетворює тим або іншим способом послідовність вхідних сигналів в послідовність вихідних сигналів. Спосіб перетворення частіше за все описується у вигляді таблиці (так званої таблиці істинності) або у вигляді тимчасових діаграм, тобто графіків залежності від часу всіх сигналів.

Всі цифрові мікросхеми працюють з цифровими сигналами, що мають два рівні напруги. Один з них називається рівнем логічної одиниці (або одиничним рівнем), а інший - рівнем логічного нуля (або нульовим рівнем). Частіше за все логічному нулю відповідає низький рівень напруги, а логічній одиниці - високий рівень напруги. В цьому випадку говорять, що прийнята «позитивна логіка».
Проте при передачі сигналів на великі відстані і в системних шинах мікропроцесорних систем деколи використовують і зворотне уявлення, коли логічному нулю відповідає низький рівень напруги, а логічній одиниці - високий рівень. В цьому випадку говорять про «негативну логіку». Іноді логічний нуль кодується позитивним рівнем напруги, а логічна одиниця - негативним рівнем напруги. Є і складніші методи кодування логічних нулів і одиниць. Але ми в основному говоритимемо про позитивну логіку.
Для опису роботи цифрових пристроїв використовують різні моделі, відмінні один від одного складністю, точністю. В основному ці моделі використовуються при комп'ютерних розрахунках цифрових схем. В даний час існують комп'ютерні програми, які не тільки розраховують готові схеми, але здатні і проектувати нові схеми по формалізованих описах функцій, які даний пристрій повинен виконувати. Це досить зручно, але жодна програма ніколи не може порівнятися з людиною. По-справжньому ефективні, оптимізовані по числу апаратурних модулів, що використовуються, нарешті, “красиві” схеми може розробляти тільки людина, яка завжди підходить до проектування творчо і використовує оригінальні ідеї.
Розробник цифрової апаратури теж використовує своєрідні моделі або, як ще можна сказати, різні рівні представлення цифрових схем. Але на відміну від комп'ютера людина може гнучко вибирати потрібну модель, в залежності від схеми.
В переважній більшості випадків розробники цифрових схем використовують три моделі, (малюнок 2.1.) три рівні уявлення про роботу цифрових пристроїв.

1.Логічна модель.
2.Модель з тимчасовими затримками.
3.Модель з урахуванням електричних ефектів (або електрична модель).

Малюнок 2.1 Моделі цифрових мікросхем на прикладі інвертора.


а) схематичне позначення цифрового логічного елемента інвертора.
б) перша модель – логічна,
в) друга модель – з часовими затримками,
г) третя модель – з врахуванням електричних параметрів елементів.

Досвід показує, що перша, найпростіша модель, виявляється достатньою приблизно в 20% всіх випадків. Вона застосовна для всіх цифрових схем, що працюють з низькою швидкістю, в яких швидкодія не принципова.
Використання другої моделі, що враховує затримки спрацьовування логічних елементів, дозволяє охопити біля 80% всіх можливих схем. Її використання необхідне для всіх швидкодійних пристроїв а також у разі одночасної зміни декількох вхідних сигналів.
Нарешті, використання третьої моделі, що враховує вхідні і вихідні струми, вхідні і вихідні опори і ємності елементів, дозволяє проектувати практично 100% цифрових схем. В першу чергу цю модель треба застосовувати при об'єднанні декількох входів і виходів, при передачі сигналів на великі відстані і при нетрадиційному включенні логічних елементів.
Для ілюстрації роботи перерахованих моделей розглянемо роботу самого найпростішого логічного елемента - інвертора. Інвертування змінює (інвертує) логічний рівень вхідного сигналу на протилежний рівень вихідного сигналу або, як ще говорять, змінює полярність логічного сигналу. На малюнку 2.1 показано, як виглядатиме вихідний сигнал інвертування при використовуванні трьох його моделей (трьох рівнів його уявлення). Такі графіки логічних сигналів називаються тимчасовими діаграмами, вони дозволяють краще зрозуміти роботу цифрових схем.
З малюнка видно, що в першій, логічній, моделі вважається, що елемент спрацьовує миттєво, будь-яка зміна рівня вхідного сигналу зразу ж, без жодної затримки приводить до зміни рівня вихідного сигналу.
В другій моделі вихідний сигнал змінюється з деякою затримкою щодо вхідного.
Нарешті, в третій моделі вихідний сигнал не тільки затримується в порівнянні з вхідним, але і його зміна відбувається не миттєво, процес зміни рівнів сигналу (або, як то кажуть, фронт сигналу) має кінцеву тривалість. Крім того, третя модель враховує зміну рівнів логічних сигналів.
На практиці розробник, як правило, на початку проектування користується виключно першою моделлю, а потім для деяких вузлів застосовує другу модель або (рідше) ще і третю модель.
При цьому перша модель не вимагає взагалі ніяких цифрових розрахунків, для неї достатнє тільки знання таблиць істинності або алгоритмів функціонування мікросхем. Друга модель припускає розрахунок (по суті, підсумовування) тимчасових затримок елементів на шляху проходження сигналів. (малюнок 2.2.) В результаті цього розрахунку може з'ясуватися, що в схему потрібно внести зміни.

Малюнок 2.2. Сумування часів затримок елементів для другої моделі.

Розрахунки по третій моделі можуть бути різними, у тому числі і досить складними, але в більшості випадків вони все-таки зводяться всього лише до підсумовування вхідних і вихідних струмів логічних елементів (малюнок 2.3.).
В результаті цих розрахунків може з'ясуватися, що потрібно використовувати мікросхеми з більш потужними виходами або включення додаткових елементів. Таким чином, проектування цифрових пристроїв принципово відрізняється від проектування аналогових пристроїв, при якому складні розрахунки абсолютно неминучі.
Розробник цифрових пристроїв має справу тільки з логікою, з логічними сигналами і з алгоритмами роботи цифрових мікросхем. А що відбувається усередині цих мікросхем, для нього практично не має значення.


Малюнок 2.3. Сумування струмів затримок елементів для третьої моделі.

Довідкові дані на цифрові мікросхеми (вони приводяться в довідниках) звичайно містять великий набір параметрів, кожний з яких можна віднести до одного з трьох перерахованих рівнів уявлення, до однієї з трьох моделей.
Наприклад, таблиця істинності мікросхеми (для простих мікросхем) або опис алгоритму її роботи (для складніших мікросхем) відноситься до першого, логічного рівня. Тому знати їх напам'ять кожному розробнику необхідно у будь-якому випадку.
Величини затримок логічних сигналів між входами і виходами відносяться до другого рівня уявлення. Типові величини затримок складають від одиниць наносекунд до десятків наносекунд. Величини затримок для різних мікросхем можуть бути різними, тому в довідниках завжди вказується максимальне значення затримки. Необхідно також пам'ятати, що затримка під час переходу вихідного сигналу з одиниці в нуль, як правило, відрізняється від затримки під час переходу вихідного сигналу з нуля в одиницю.
До третього рівня уявлення відносяться також величини внутрішньої ємності входів мікросхеми (звичайні від одиниць до десятків пікофарад) і допустима величина ємності, до якої може підключатися вихід мікросхеми, тобто ємність навантаження (порядку 100 пФ). На цьому ж рівні уявлення задаються максимально допустимі величини тривалості переднього фронту і заднього фронту вхідного сигналу. Тобто при більшій тривалості переходу вхідного сигналу з одиниці в нуль і з нуля в одиницю мікросхема може працювати в нестійкому режимі.
До третього рівня уявлення можна віднести також такі параметри, як допустима напруга живлення мікросхеми (Ucc) і максимальний струм, споживаний мікросхемою (Icс)
При цьому споживаний струм Icс залежить від рівнів вихідних струмів мікросхеми. Ці параметри треба враховувати при виборі джерела живлення для проектованого пристрою, а також в процесі виготовлення друкарської плати при виборі ширини доріжок.
Нарешті, до третього рівня відноситься ряд параметрів, які часто згадуються в літературі, але не завжди приводяться в довідкових таблицях:

• Поріг спрацьовування - рівень вхідної напруги, вище за який сигнал сприймається як одиниця, а нижче - як нуль. Для найпоширеніших ТТЛ мікросхем він приблизно рівний 1,3... 1,4 В.
• Перешкодозахищеність - параметр, який характеризує величину вхідного сигналу перешкоди, що накладається на вхідний сигнал, який ще не може змінити вихідних сигналів.
• Коефіцієнт розгалуження - число входів, яке може бути підключено до даного виходу без порушення роботи. Цей параметр визначається відношенням вихідного струму до вхідного. Стандартна величина коефіціенту розгалуження при використовуванні мікросхем одного типу (однієї серії) рівна 10.
• Навантажувальна здатність - параметр виходу, що характеризує величину вихідного струму, яку може видати в навантаження даний вихід без порушення роботи.

Таким чином, більшість довідкових параметрів мікросхеми відноситься до третього рівня уявлення (до моделі з урахуванням електричних ефектів), тому в більшості випадків (до 80%) знати їх точні значення напам'ять не обов'язково.


презинтація

попередня тема наступна тема

тестування