Введение

Цифровое устройство – устройство, осуществляющее прием, хранение и преобразование дискретной информации по некоторому алгоритму, т.е. вырабатывающее сигнал, определенным образом связанный с совокупностью входных сигналов. Обычно эта связь оказывается достаточно сложной и реализуется путем реализации ряда более простых преобразований сигналов. При этом реализация множества преобразований

сигналов в устройстве оказывается возможной как аппаратным путем, т.е. с использованием отдельных узлов для реализации соответствующих преобразований, так и с использованием универсального узла –микропроцессора, где и осуществляются все эти преобразования. По этому принципу различают устройства с жесткой логикой и программируемой логикой. Выбор оптимального принципа построения конкретного устройства определяется требованиями, предъявляемыми к данному устройству. В любом случае, при этом, принцип действия этих устройств базируется на использовании законов булевой алгебры, допускающей двоичное представление сигналов.

1 Анализ структуры цифровых устройств

1.1 Общие принципы построения цифровых устройств

Схемная реализация цифровых устройств При проектировании цифровых устройств для учета технических особенностей работы устройства используются 3 модели:

1. логическая модель (описывает работу устройств в предположении идеальности параметров используемой элементной базы)

2. модель с временными задержками (учитывает конечное быстродействие элементов схем и позволяет предусмотреть и устранить возможность сбоев в работе)

3. модель с учетом электрических характеристик применяемых элементов (используется при детализации принципиальной схемы устройства).

Логическая модель цифрового устройства является схемной реализацией алгоритма работы устройства. Работа цифровых устройств описывается с помощью теории автоматов – раздела теории управляющих систем, изучающей математические модели преобразователей дискретной информации. При проектировании цифровых устройств для упрощения процесса разработки часто используется метод декомпозиции - представление цифрового устройства совокупностью независимо функционирующих логических устройств для формирования отдельных бит выходного сигнала.

Законы булевой алгебры позволяют выразить любую сколь угодно сложную логическую функцию с помощью всего лишь трех элементарных логических функций («НЕ», «И», «ИЛИ»), образующих функционально полную систему логических элементов. При реализации цифровых устройств оказываются возможными различные функционально полные системы логических функций, отличающиеся друг от друга числом входящих в них функций и видом этих функций. Выбор того или иного базиса для построения логических устройств обусловлен тем, насколько экономически удобно и просто выполнить элементы, технически реализующие входящие в базис функции, и все логическое устройство в целом.

1.2 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.