Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов высших учебных заведений по специальности 230101. 65 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети» (стр. 1 из 11)
Калининградский Государственный Технический Университет
СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ.
Методические указания по выполнению лабораторных работ для
студентов высших учебных заведений по специальности
230101.65 «Вычислительные машины, системы, комплексы и сети»
Калининград
Издательство КГТУ
2005
Базовые логические элементы. Реализация простейших логических функций.
Цель работы: изучение основных характеристик интегральных микросхем транзисторно-транзисторной логики; обучение навыкам проектирования и синтеза простейших комбинационных схем.
Литература: /1/, с. 6-25; /2/, с. 65-78; /3/, с. 87-118; /4/, с. 18-28; /7/, с. 542-552.
Приборы и оборудование: лабораторный стенд УМ11.
1.1 Общая часть.
1.1.1 Представление информации физическими сигналами.
Числовые данные и машинные команды представлены в ЭВМ в двоичной системе счисления. Физическими аналогами знаков 0 и 1 двоичного алфавита служат сигналы, способные принимать два хорошо различимых значения, например, напряжения (потенциал) высокого и низкого уровня, отсутствие или наличие электрического импульса в определённый момент времени, противоположные по знаку значения напряжённости магнитного поля и т.п.
В цифровых вычислительных устройствах обычно применяют два первых способа физического представления информации, в соответствии с чем, схемы цифровых устройств принято делить на потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.
Потенциальный сигнал присутствует в определённой точке схемы в течение всего машинного такта и характеризуется величиной верхнего и нижнего уровня напряжения U1 и U0.
Наличие фронта и спада у потенциального сигнала связано с процессом перехода от нижнего к верхнему и от верхнего к нижнему уровню. Длительность этих процессов обозначается соответственно t01 и t10 (рис. 1.1), причём моменты перехода определяются тактовыми сигналами.
Импульсный сигнал, помимо перечисленных выше параметров, определяется также моментом своего появления и длительностью, не зависящей в общем случае от длительности машинного такта (рис. 1.1).
В транзисторной схемотехнике прошлых лет наибольшее распространение получили импульсные и импульсно-потенциальные системы элементов. Внедрение в аппаратуру серий ИС с потенциальными логическими элементами вытеснило другие цифровые структуры. Новые разработки, тем не менее, показали возможность очередного этапа развития импульсно-потенциальных систем на базе интегральных разностных преобразователей (РП). Такие РП формируют импульсные сигналы при заранее определённых видах переключений входных булевых переменных. Длительность выходного импульса синхронных РП определяется параметрами их компонентов, обеспечивающих задержку прохождения сигналов. В синхронных РП в качестве элемента задержки используются D-триггеры или регистры сдвига, поэтому длительность выходного импульса определяется периодом тактовых сигналов.
1.1.2 Системы логических элементов. Основные характеристики.
Системой (серией) логических элементов ЭВМ называется предназначенный для построения цифровых устройств функционально полный набор логических элементов, объединяемый общими электрическими, конструктивными и технологическими параметрами, использующие способ представления информации и одинаковый тип межэлементных связей. Система элементов включает элементы для выполнения логических операций, а также усиления, восстановления и формирования стандартной формы сигналов.
Основными параметрами систем логических элементов являются (табл. 1.1):
1. Напряжения питания и логических уровней. Система элементов характеризуется количеством используемых питающих напряжений и их номинальными значениями.
Для логических уровней указываются их полярность и величина. Если не оговорено особо, то логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице - высокий (положительная логика).
2. Коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность К раз) характеризует количество входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу логического ключа.
3. Помехоустойчивость. Помехой называется нежелательное электрическое воздействие (например, пульсации напряжения питания, действия паразитных ёмкостей) на логический элемент, которое может привести к искажению преобразуемых или хранимых данных. Помехоустойчивость есть способность элемента правильно функционировать при наличии помех, она определяется максимально допустимым напряжением помехи, при котором не происходит сбоя в его работе.
4. Быстродействие логических элементов является одним из важнейших параметров и характеризуется средним временем задержки распространения сигнала
(1.1)
Время задержки распространения при включении t01зд.р., и выключении t10зд.р. измеряют как интервал между уровнем 0,5UвхА входного сигнала и уровнем 0,5UвыхА выходного сигнала (рис. 1.2)
| Таблица 1.1 | ||||||||
| Тип-серия | ТТЛ | ДТЛ | ЭСЛ | кМОП | n-МОП | p-МОП | ||
| Характеристика | 155 | 158 | 131 | 511 | 500 | 176 | 172 | 108 |
| 1. Напряжение питания Напряжение лог. 0 Напряжение лог. 1 | +5 0,4 2,4 | +5 0,4 2,4 | +5 0,4 2,5 | +15 1,5 12 | -5,2 -1,63 -0,98 | +9,0 0,3 8,2 | -27 -2,0 7,5 | -27 0,85 -9,5 |
| 2. Коэффициент разветвления | 10 | 10 | 10 | 25 | - | 100 | 15 | 10 |
| 3. Время задержки распространения, нс | 15 | 15 | 10 | 300 | 2,9 | 200 | 600 | 6000 |
| 4. Потребляемая мощность на элемент, мВт | 24 | 4,85 | 50 | 187 | 35 | 0,001 | - | 100 |
1.1.3 Рекомендации по применению интегральных микросхем серии К155.
1.1.3.1 Подключение неиспользованных входов
Для обеспечения максимального быстродействия и помехоустойчивости неиспользуемые входы должны находиться под постоянным потенциалом. Это позволяет исключить перезарядку ёмкости разомкнутого эмиттера входного транзистора относительно выводов схемы, которая увеличивает задержку сигнала. Существует ряд методов создания данного потенциала. Напряжение питания, ограниченное до значения 4,5 В, позволяет подключать неиспользуемые входы непосредственно к источнику питания.
Если напряжение 4,5 В отсутствует, то возможно подключение до 20 неиспользуемых входов через резистор сопротивлением 1кОм к источнику питания +5 В. Неиспользуемые входы можно соединить с используемым, если логическая функция при этом не претерпит изменений и не будет превышена нагрузочная способность при входном напряжении, соответствующем уровню логической единицы.
Неиспользуемые входы могут быть подключены к выходу неиспользуемой инвертирующей микросхемы, на вход которой подаётся напряжение логического нуля. При необходимости на отдельные неиспользуемые входы микросхем серии К155 подаётся напряжение логического нуля, что определяется таблицей истинности соответствующей микросхемы.
Рассмотрим возможность применения данных способов подключения неиспользуемых входов для получения инвертора на основе микросхемы К155 ЛА4 (3 элемента «ЗИ-НЕ») (рис. 1.3-1.5).
