17.3. Жадылы логикалық жүйелер. Еске сақтау құрылғылары

Электрондық есептеу техникаларында сандық ақпараттарды еске сақтайтын құрылғылар аса маңызды міндет атқарады. Ақпараттарды еске сақтайтын жадылы логикалық құрылғыларды тұрақты (ТЕҚ) және оперативтік (ОЕҚ) деп екіге бөледі. (ТЕҚ) – тұрақты еске сақтау құрылғысы, ақпаратты ұзақ уақытқа өзгеріссіз сақтайды, тіпті ақпарат құрылғыны тоқ көзінен ажыратқаннан кейін де сақталады, ал (ОЕҚ) – оперативтік еске сақтау құрылғысы, ақпаратты жұмыс жасау барысында ғана уақытша сақтайды, құрылғыны тоқ көзінен ажыратқаннан кейін ақпарат жойылып кетеді. Бұларды орыс тіліндегі оқулықтарда (ПЗУ) – постоянные запоминающие устройства, (ОЗУ) – оперативные запоминающие устройства деп атайды.

Тұрақты еске сақтау құрылғысы. Төмендегі 17.4 – суретте диодтық матрица үлгісінде құрылған сегіз жолды, төрт бағаналы еске сақтайтын құрылғынының сұлбасы көрсетілген. Оның үш разрядты адрестік кірістері (СВА) бар. Мұндағы дешифратор кірісіне берілген СВА адрестік сөздерді мәндеріне сәйкес шығыстарының қай біреуіне бірлік кернеу түрінде шығарып береді. Мысалы, кіріске 000 адрестік сөз берілген болса, онда шығысында бірлік кернеу пайда болады.

Диодтық матрицаның әрбір ұяшықтарына диодтар орналасады. Егер дешифратор кірісіне 001 адрестік сөзді беретін болсақ, онда горизонталь өткізгіштің бойына кернеу пайда болады. Бұл кернеу және диодтары арқылы вертикаль орналасқан өткізгіштердің , және ұштарына шығып келеді. Бұл кернеу мәндері төрт разрядты 1011 екілік кодалық сөзін береді.

Жалпы жадылы матрицаның еске сақтаушы диодты ұяшықтарының орнына өрістік транзисторларға негізделген ұяшықтарды кеңінен қолданады. Олар: , және . – транзисторларды қолданған кезде горизонталь өткізгіштерге транзисторлардың жапқылары қосылады. Барлық транзисторлардың бастаулары (исток) жерге (нөль потенциалды өткізгішке), ал транзисторлардың құймалары (сток) матрицаның вертикаль өткізгіштеріне қосылады. Транзисторларды қолданған кезде резисторларды біріктіріп қосатын төменгі өткізгіш жерге емес, ток көзіне қосылады.

17.5 – суретте ТЕҚ – тің алдыңғы сұлбаға салыстырғанда күрделі матрицасының сұлбасы көрсетілген. Мұндағы сұлбаның ерекшелігі, адрестік сөз екі бөлікке бөлініп, матрицаның горизонталь және вертикаль өткізгіштеріне берілген. Құрылымы мұндай жадылы жүйені адрестердің саны өте көп болған жағдайда қолдану қолайлы. Жады ұяшықтары үшін И–НЕ логикалық элементті пайдалануға болады. Оның екі кірісі матрицаның өзара қиылысатын және өткізгіштерінің ұштарына қосылады. Барлық И–НЕ элементердің шығыстары параллель қосылады.

Құрылғының жұмыс процесін алып қарастырайық. Адрестік сөзді дешифрациялау нәтижесінде матрицаның бір горизонталь және бір вертикаль өткізкішіне кернеу пайда болады. Бұл кернеудің әсерінен, эмиттерлік кірістері ұяшықтың қиылысу нүктесіне қосылғанына немесе қосылмағанына байланысты И–НЕ элементердің жалпы шығысында 0 немесе 1 симболы пайда болады. Бір матрицаның әрбір адрес үшін ақпараттың бір ғана разрядын сақтау мүмкіншілігі болады. Жадыға – разрядты сөзді жазу үшін матрицаның саны болу керек.

Демек, ТЕҚ – қа сақталатын – разрядты сөзді саны:

,

мұндағы және – дешифраторлардың кірістеріндегі горизонталь және вертикаль өткізкіштерінің сандары; және – горизонталь және вертикаль өткізкіштерінің сандары. 17.5 – суреттегі сұлба үшін , . Демек, . Егер , және болса, ондай ТЕҚ сегіз разрядты 2048 сөзді сақтай алады. Мұндай жағдайда ТЕҚ – тің адрестік кіріс сызықтарының саны , матрицаның горизонталь өткізкіштерінің саны , ал вертикаль өткізкіштерінің саны , матрицаның саны 8 болады.

Оперативтік еске сақтау құрылғысы. Жалпы ОЕҚ үшін құрылымы 17.5 – суреттегі сұлбаға ұқсас адрестік матрицаны пайдаланады. Жадының элементар ұяшықтары үшін екілік бірлікпен сипатталатын ақпараттарды сақтауға арналған статикалық және динамикалық еске сақтау элементтерін пайдаланады.

17.4 – сурет 17.5 – сурет

Жады ұяшығы деп тек элементар ұяшықтарды ғана емес, жалпы 8, 16 немесе 32 екілік разрядтардан құралған барлық сөздерді сақтайтын жадылық құрылғының бір бөлігі болып есептелетін, жады элементін атайды.

17.6 – сурет 17.7 – сурет

Статикалық еске сақтау элементтері. Статикалық еске сақтау элементтерінің міндетін биполярлы немесе өрістік транзисторларған негізделген қарапайым триггер атқарады. Көп эмиттерлі биполярлы транзисторға негізделген статикалық еске сақтау элементінің сұлбасы 17.6 – суретте көрсетілген.

Егер еске сақтау элементінің транзисторларының екеуінің де төменгі екі – екі эмиттерлері қосылған және адрестік өткізгіштерінің ұштарына жоғары деңгейлі тактлік кернеу берілсе, онда ол ақпараттық сигналдарды жазуға және санауға дайын болады. Сөйтіп, ОЕҚ матрицасының тек кернеу берілген бір ғана жады элементі активті күйге (қозған) көшеді.

Бірлік симболды жазу үшін транзистордың жоғарғы эмиттеріне жоғары деңгейлі кернеу беріледі. Оның төменгі эмиттеріне жоғары деңгейлі тактлік кернеу (активті күйге көшіруші) берілген кезде жабылады. Жабық күйдегі транзистордың коллекторының жоғары кернеуі транзистордың базасына тура берілетіндіктен оны ашық күйге келтіреді.

Қандай бір элементке бірлік сигналды жазған кезде, ол тек осы элементтің транзисторының жоғарғы эмиттеріне ғана емес, матрицаның басқа элементтерінің де барлық транзисторларының жоғарғы эмиттерлеріне де беріледі. Бірақ, бұл бірлік сигнал активтенген жады элементіне ғана әсер етеді, басқа элементтердің ашық күйдегі транзисторларын жабық күйге көшіре алмайды.

Қандай бір жады элементіне нөлдік сигналды жазу үшін оның барлық транзисторларының жоғарғы эмиттерлеріне жоғары деңгейлі тактлік кернеу беріледі, бірақ ол матрицаның тек активтенген бір ғана элементіне жазылады.

Санау кезінде ашық транзистордың эмиттрлік тогінің бір бөлігі сол немесе оң жақтағы өткізгішке (санаушы–жазушы) беріледі, ол бірлік немесе нөлдік сан мәндеріне сәйкес келеді.

транзисторға негізделген статикалық еске сақтау элементінің сұлбасы 17.7 – суретте көрсетілген. Мұндағы қарапайым триггер және транзисторлары арқылы құрастырылған. және транзисторлары құйма резисторларының, ал және транзисторлары жазу және санау кезінде кілттің міндетін атқарады. Егер транзистордың жапқысына оң кернеу берілсе, онда ол сұлба активтеніп, сигналды жазуға және санауға дайын болады.

Бірлік симболды жазу үшін активтенген транзистордың арнасы арқылы оның сол жақ санау – жазу желісінен транзистордың жапқысына жоғары деңгейлі кернеу беріледі. транзистор жабық, ал транзистор ашық болған жағдайда триггерде күй қалыптасады.

Бірлік симболды санаған кезде сол жақ санау – жазу желісінде жоғары деңгейлі, ал оң жағында төменгі деңгейлі кернеу пайда болады.

Нөлдік симболды жазу үшін оң жақ санау – жазу желісіне жоғары деңгейлі кернеу беріледі. Ол өз кезегінде транзисторды ашып, транзисторды жабады.

Нөлдік симболды санау үшін сол жақ санау – жазу желісіне төменгі, ал оң жағына жоғары деңгейлі кернеу пайда болады.

Динамикалық еске сақтау элементтері. Еске сақтау элементі үшін сыйымдылығы аса үлкен емес конденсаторларды пайдалануға болады. Конденсаторда сақталған заряд логикалық бірлікке, ал заряд жоқ боса логикалық нөлге сәйкес келеді. Бірақ, кез келген конденсатор зарядын ұзақ уақытқа тұрақты деңгейде сақтай алмайды. Сондықтан конденсаторда сақталған ақпаратты регенерациялау қажеттілігі туындайды. Жады регенерациясы дененіміз – ақпаратты қайтадан жаңалап жазу процессі. ОЕҚ матрицасының сыйыдылықтарына жазылған ақпараттар, шамасы разрядтың жылдамдығына байланысты анықталатын, белгілі бір уақыт мезетінде қайтадан саналып, жаңарып жазылады.

Ақпаратты сақтайтын жады элементі ретінде конденсатордан басқа транзисторларының паразиттік сыйымдылықтарын да пайдаланады.

Ақпаратты регенерация арқылы сақтайтын жады элементін динамикалық деп атайды.

17.8а – суретте бір ғана транзисторлы динамикалық жады элементтерінің сұлбасы көрсетілген. Мұндағы транзистор кілттің міндетін атқарады. Сыйымдылығы аса үлкен емес конденсатор транзистордың жабық ауысуына негізделіп жасалған. Оның өздік зарядталу жылдамдығы температураға тәуелді, мысалы жұмыс температурасы болған кездегі типтік регенерация уақыты 2 мс.

Динаикалық жады элементтері матрицаны құрайды. 17.8а – суреттегі жады элементінің барлық транзисторлардың жапқылары «Жол таңдау» («Выбор строки») желісінің бір жолына қосылады. Бұл желіге рұқсаттаушы кернеуі берілген кезде қарастырып отырған жолдағы барлық транзисторлар ашылады. Бірақ, мұндағы ақпараты санау немесе жазу үшін бір ғана вертикаль желіні пайдаланады. Оған басқа транзисторлардың жолдары қосылып бір бағана болады. Бұл бағананың активтенбей қалған транзисторлары басқа жолдарға орналасады. Әрбір бағананың өзінің санаушы күшейткіштері болады.

Вертикаль жазусанау желісіне ақпаратты жазу үшін оған жоғары немесе төменгі деңгейлі кернеу, ал «Жол таңдау» желісіне рұқсаттаушы кернеу беріледі. Осылайша, жоғары немесе төменгі деңгейлі кернеу бағананың басқа транзисторларына да беріледі, бірақ олар активтенбей қалуына байланысты ақпарат бір ғана активтенген еске сақтау элементінің конденсаторына жазылады.

17.8 – сурет

17.8б – суретте үш транзисторлы динамикалық жады элементтерінің сұлбасы көрсетілген. Мұнда еске сақтау элементінің міндетін транзистордың паразиттік кіріс сыйымдылығы атқарады. Жалпы динамикалық еске сақтау элементтері статикалық элементтерге салыстырғанда өте қарапайым, мұндағы транзисторлардың саны да өте аз. Жадысының көлемі өте үлкен ОЕҚ үшін динамикалық еске сақтау элементтерін пайдалану өте тиімді.

17.4. Сан – аналогтық және аналог – сандық түрлендіргіштер

Жалпы температура, қысым және басқа көптеген физикалық шамаларды өлшейтін аспап құралдардың бергіштері (датчиктер), сол шамалардың абсольюттік мәндеріне пропорционал аналогтік сипаттағы кернеу түрінде береді. Электрондық есептеу техникаларында қолданатын кейбір ақпараттар да аналогтік түрде кездеседі. Сондықтан оларды аналогтік түрден екілік сандық түрге түрлендіруге тура келеді. Сонымен қатар ақпараттарды керісінше саннан аналогқа түрлендіру қажеттілігі де туындайды.

Сан – аналогтық түрлендіргіштер. Ақпараттарды сандық – анологтық түрлендірудің көптеген тәсілдері бар. 17.9 – суретте тектес сатылы бөлгішті және операциялық күшейткішті пайдаланып құрастырған анолог – сандық түрлендіргіштің (АСТ) сұлбасы көрсетілген. кілттері резисторлардың сол жақ ұштарын эталондық кернеу көзіне қосады. Кілттің жоғарғы жағы эталондық кернеу көзіне қосылатындықтан екілік санның 1, төменгі жағы жерге берілетіндіктен 0 симболына сәйкес келеді. Сұлбадағы кілтердің орналасуы 1101 екілік сан мәнін бейнелейді.

17.9 – сурет 17.10 – сурет

Егер кілт кернеу көзіне, ал қалғандары жерге қосылған болса, онда инвертирлеуші кіріске берілетін кернеудің мәні – ке тең болады. Кернеу көзіне кілті қосылған жағдайда кернеуді 2 есе, ал және кілтері кернеу мәндерін 4 және 8 есе кемітіп береді.

Аналог – сандық түрлендіргіштер. Ақпараттарды анологтық – сандық түрлендірудің көптеген тәсілдері бар. 17.10 – суретте параллель кодалайтын, аналогтық кернеуді – разрядты екілік санға түрлендіретін анолог – сандық түрлендіргіштің (АСТ) сұлбасы көрсетілген.

резисторлардан құралған тізбектің көмегімен эталондық кернеу градацияға бөлініп, содан кейін операциялық күшейткіштің инвертирлеуші кірістеріне беріледі. Сонымен қатар, өзара біріктіріп қосылған барлық инвертирлеуші кірістерге түрлендірілетін аналогтық кернеулерде беріледі. Осылайша, анлогтық кернеудің мәндерін эталондық кернеумен салыстырып, оның қанша сатылық мәнімен тең болатындығына байланысты, дәл сондай мәнді қабылдайтын операциялық күшейткіштің инвертирлеуші кірісне береді.

Жоғарғы күшейткіштің инвертирлеуші кірісіндегі кернеудің шамасы өрнегі апрқылы анықталады. Демек, болған жағдайда операциялық күшейткіштердің саны 127, ал жоғарғы күшейткіштің кірісіне берілетін кернеудің мәні шамаға тең болу керек.

Операциялық күшейткіштер компараторлардың міндетін атқарады. Олар анлогтық кернеуді, күшейткіштің инвертирлеуші кірісіне берілген эталондық кернеудің бөлшек мәндерімен салыстырады. Егер анлогтық кернеудің мәні операциялық күшейткіштің инвертирлеуші кірісіндегі кернеуден артылатын болса, онда операциялық күшейткіштің шығысында логикалық 1 – ге сәйкес келетін оң кернеу пайда болады. Бұған керісінше жағдайда операциялық күшейткіштің шығысында логикалық 0 – ге сәйкес келетін теріс кернеу пайда болады. Мысалы, кіріс кернеуінің мәні болса, онда барлық операциялық күшейткіштің шығысында логикалық 1 пайда болады. Бұл жағдайда шифратордың шығысында жеті бірлік пайда болады.

Мысалы, , бірақ болса, онда жоғарғы компараторлардың шығысы логикалық 0 – ге, ал қалған барлық компараторлардың шығысы логикалық 1 – ге сәйкес келеді. Бұл жағдайда шифратордың тек шығысында ғана 0 ( , ал басқа барлық шығыстарында логикалық 1 пайда болады.

17.11 – сурет

17.12 – сурет

Бұл сұлбаның басты кемшілікгі, ол өте күрделі ( болғанда операциялық күшейткіштердің саны 127), бірақ түрлендіру жылдамдығы өте шапшаң.

Шапшаң түрлендірудің қажеті болмайтын жағдайда, мысалы сандық вольтметр үшін кернеуді өлшегенде уақыт аралықтары бойынша екі тактлі аналог  сандық түрлендіргішті пайдалану қолайлы (17.11 – сурет).

Түрлендіру процесі қалай жүрілетіндігіне танысайық. Алдымен кілт ашық, ал жабық күйде болады. Кілтерді бақару сұлбасы басқарады. Осыдан кейін уақыт мезетінде кілт түрлендірілетін кернеуді сұлбаға береді, ал кілт конденсатордың ұштарын ажыратады. Осы мезетте кіріс кернеуін интегралдау процесі басталады. Мұндағы кіріс кернеуі тұрақты оң (положительный) сипатта болады. Интегратордың міндетін атқарушы бірінші операциялық күшейткіштің кірісіндегі ара тәріздес теріс (отрицательный) кернеу 17.12 – суретте көрсетілген.

уақыт мезетінде кілт эталондық кернеуді интеграторға береді. Мұндағы кіріс кернеуінің полюсі теріс болғанымен абсолюттік мәні үлкен. Интегратордың шығыс кернеуі уақыт аралығында оң бағытқа қарай өзгереді (абсолюттік мәні артады), ал өзгеріс тіктігі (крутизна) уақыт аралығына салыстырғанда жеделдейді.

уақыт мезетінде бірінші операциялық күшейткіштің шығыс кернеуінің мәні нөлге теңеседі, ал компаратордың міндетін атқарушы екінші операциялық күшейткіштің шығыс кернеуінің полюсі өзгереді. Бұл кернеу басқару сұлбасына беріледі. және кілт қайтадан бастапқы күйіне оралады ( ашық, жабық).

уақыт мезетінде жоғарыда айтылған процестер қайталанады. Бұл процесті математикалық түрде сипатасақ:

;

.

Мұндағы және тұрақты шамалар болғандық жоғардағы интеграл мына теңдеуді береді:

,

бұдан

.

Соңғы теңдеуден , және мәндерін білу арқылы кернеуінің мәнін анықтай аламыз.

 нің мәні мәніне пропорционал, сондықтан оны санауышқа қосылған дешифратор арқылы сандық индикатордан көруге болады. Сол

себепті, мұндағы басқару сұлбасы және кілттерді ажыратып  қосумен қатар тактлік генератор мен санауышты да басқарады. Осылайша, уақыта тактлік импульстерді (мысалы ) санаудың толық бір циклі аяқталады. Сөитіп, уақыт мезетінде уақыт мезетіндегі бастапқы нөлдік күйіне қайта оралады. уақыт мезетінде санауыштың шығысында уақыт аралығына пропорционал саны пайда болады. Түрлендіру қателігін азайту үшін санын 100  ге емес 1000  ға тең етіп алады.