Модели и уровни представления цифровых устройств

Все цифровые устройства строятся из логических микросхем, каждая из которых (рис. 1.3) обязательно имеет следующие вы­воды (или, как их еще называют в просторечии, ножки):

• выводы питания: общий (или «земля») и напряжения пита­ния (в большинстве случаев +5 В или +3,3 В), которые на схемах обычно не показываются;

• выводы для входных сигналов (или «входы»), на которые поступают внешние цифровые сигналы;

• выводы для выходных сигналов (или «выходы»), на кото­рые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы.

Рис. 1.3. Цифровая микросхема.

Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов. Способ преобразования чаще всего описы­вается или в виде таблицы (так называемой таблицы истинно­сти) или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависи­мости от времени всех сигналов.

Все цифровые микросхемы работают с логическими сигна­лами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой — уровнем логического нуля (или нулевым уровнем). Чаще всего логическому нулю соответ­ствует низкий уровень напряжения, а логической единице — высокий уровень напряжения. В этом случае говорят, что при­нята «положительная логика». Однако при передаче сигналов на большие расстояния и в системных шинах микропроцессорных систем порой используют и обратное представление, когда ло­гическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице — высокий уровень. В этом случае говорят об «отрицательной логике». Иногда логический нуль кодируется положительным уровнем напряжения (тока), а логическая еди­ница — отрицательным уровнем напряжения (тока) или наобо­рот. Есть и более сложные методы кодирования логических ну­лей и единиц. Но мы в основном будем говорить о положитель­ной логике.

Для описания работы цифровых устройств используют са­мые различные модели, отличающиеся друг от друга сложно­стью, точностью, большим или меньшим учетом тонких физи­ческих эффектов. В основном эти модели используются при компьютерных расчетах цифровых схем. В настоящее время существуют компьютерные программы, которые не только рас­считывают готовые схемы, но способны и проектировать новые схемы по формализованным описаниям функций, которые дан­ное устройство должно выполнять. Это довольно удобно, но ни одна программа никогда не может сравниться с человеком. По-настоящему эффективные, оптимизированные по числу исполь­зуемых аппаратурных модулей, наконец, красивые схемы может разрабатывать только человек, который всегда подходит к про­ектированию творчески и использует оригинальные идеи.

Разработчик цифровой аппаратуры тоже использует своеоб­разные модели или, как еще можно сказать, различные уровни представления цифровых схем. Но в отличие от компьютера че­ловек может гибко выбирать нужную модель, ему надо только взглянуть на схему, чтобы понять, где достаточно простейшей модели, а где требуется более сложная. То есть человек никогда не будет делать лишней, избыточной работы и, следовательно, не будет вносить дополнительных ошибок, свойственных лю­бой, даже самой сложной, модели. Правда, простота цифровых устройств по сравнению с аналоговыми устройствами обычно не дает возможности сделать чересчур серьезные ошибки.

В подавляющем большинстве случаев разработчики цифро­вых схем используют три модели, три уровня представления о работе цифровых устройств.

1. Логическая модель.

2. Модель с временными задержками.

3. Модель с учетом электрических эффектов (или электри­ческая модель).

Опыт показывает, что первая, простейшая модель оказыва­ется достаточной примерно в 20% всех случаев. Она применима для всех цифровых схем, работающих с низкой скоростью, в ко­торых быстродействие не принципиально. Привлечение второй модели, учитывающей задержки срабатывания логических эле­ментов, позволяет охватить около 80% всех возможных схем. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и в случае одновременного изменения нескольких входных сигналов. Наконец, добавление третьей модели, учитывающей входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов, позволяет проектировать практически 100% цифровых схем. В первую очередь эту третью модель на­до применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и при нетрадици­онном включении логических элементов (с переводом их в ана­логовый, в линейный режим).

Таблица 1.1. Таблица истинности инвертора

 

Вход	Выход

Для иллюстрации работы перечисленных моделей рассмот­рим работу самого простейшего логического элемента — ин­вертора. Инвертор изменяет (инвертирует) логический уровень входного сигнала на противоположный уровень выходного сиг­нала или, как еще говорят, изменяет полярность логического сигнала. Таблица истинности инвертора (табл. 1.1) элементарно проста, так как возможны только две ситуации: нуль на входе или единица на входе. На рис. 1.4 показано, как будет выглядеть выходной сигнал инвертора при использовании трех его моде лей (трех уровней его представления). Такие графики логиче­ских сигналов называются временными диаграммами, они по­зволяют лучше понять работу цифровых схем.

Рис. 1.4. Три уровня представления цифровых устройств.

Из рисунка видно, что в первой, логической, модели счита­ется, что элемент срабатывает мгновенно, любое изменение уровня входного сигнала сразу же, без всякой задержки приво­дит к изменению уровня выходного сигнала. Во второй модели выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного. Наконец, в третьей модели выходной сигнал не только задерживается по сравнению с входным, но и его из­менение происходит не мгновенно, процесс смены уровней сиг­нала (или, как говорят, фронт сигнала) имеет конечную дли­тельность. Кроме того, третья модель учитывает изменение уровней логических сигналов.

На практике разработчик, как правило, в начале проектиро­вания пользуется исключительно первой моделью, а затем для некоторых узлов применяет вторую модель или (реже) еще и третью модель. При этом первая модель не требует вообще ни­каких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микро­схем. Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирова­ние) временных задержек элементов на пути прохождения сиг­налов (рис. 1.5). В результате этого расчета может выясниться, что в схему нужно внести изменения.

Расчеты по третьей модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они все-таки сводятся всего лишь к суммированию входных и выход­ных токов логических элементов расчетов может выясниться, что требуется применение микро­схем с более мощными выходами или включение дополни­тельных элементов.

Рис. 1.5. Суммирование задержек элементов.

Рис. 1.6. Суммирование входных токов элементов.

Таким образом, проектирование цифровых устройств прин­ципиально отличается от проектирования аналоговых уст­ройств, при котором сложные расчеты абсолютно неизбежны. Разработчик цифровых устройств имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. А что происходит внутри этих микросхем, для него практически не имеет значения.

Справочные данные на цифровые микросхемы обычно со­держат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представле­ния, к одной из трех моделей.

Например, таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первому, логическому уров­ню. Поэтому знать их наизусть каждому разработчику необхо­димо в любом случае.

Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второму уровню представления. Типич­ные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 нс = 10^-9 с) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справоч­никах всегда указывается максимальное значение задержки. Не­обходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль (t_PHL), как правило, отличается от за­держки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу (t_PLH). Например, для одной и той же микросхемы t_PLH < 11 нc, a t_PHL < 8 нc. Здесь английская буква Р означает Propagation (распространение), L означает Low (низкий уровень сигнала, нуль), а Н — High (высокий уровень сигнала, единица). Количе­ство величин задержек, определяемых справочником для мик­росхемы, может изменяться от двух до нескольких десятков.

Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжений относятся к третьему уровню пред­ставления.

Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля (I_il), как правило, отличается от входного тока при приходе на вход логической единицы (I_IH). Например, I_il = 0,1 мА, а I_IH = 20 мкА (считается, что положительный ток втекает во вход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Точно так же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля (I_ol) может отличаться (и обычно отличается) от выходного то­ка при выдаче логической единицы (I_он). Например, для одной и той же микросхемы I_OH < ~0,4 мА, a

I_ol < 8 мА (считается, что положительный ток втекает в выход микросхемы, а отрицатель­ный — вытекает из него). Надо также учитывать, что разные входы и выходы одной и той же микросхемы могут иметь раз­личные входные и выходные токи.

Для выходных напряжений логического нуля (U_ol) и едини­цы (U_oh) в справочниках обычно задаются предельно допусти­мые значения при заданной величине выходного тока. При этом чем больше выходной ток, тем меньше напряжение логической единицы и тем больше напряжение логического нуля. Напри­мер, U_oh > 2,5 В (при I_OH < - 0,4 мА), a U_OL < 0,5 В (при I_ol<8mA).

Задаются в справочниках также и допустимые уровни вход­ных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, U_IH> 2,0 В, U_il < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логи­ческих сигналов не должны выходить за пределы напряжения питания.

В обозначениях напряжений и токов буква I означает Input (вход), буква О означает Output (выход), L — Low (нуль), а Н — High (единица).

К третьему уровню представления относятся также величи­ны внутренней емкости входов микросхемы (обычно от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к ко­торой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки C_l (порядка 100 пФ). Отметим, что 1 пФ = 10^-12 Ф. На этом же уровне представления задаются максимально допус­тимые величины длительности положительного фронта (t_LH) и отрицательного фронта (среза) (t_HL,) входного сигнала, например t_HL< 1,0 мкс, t_LH < 1,0 мкс. То есть при большей длительности перехода входного сигнала из единицы в нуль и из нуля в еди­ницу микросхема может работать неустойчиво, неправильно, нестандартно.

К третьему уровню представления можно отнести также та­кие параметры, как допустимое напряжение питания микросхе­мы (U_CC) и максимальный ток, потребляемый микросхемой (I_CC). Например, может быть задано:

4,5 В < U_CC < 5,5 В; I_CC< 100 мА.

При этом потребляемый ток I_CC зависит от уровней выход­ных токов микросхемы I_OH и I_OL. Эти параметры надо учитывать при выборе источника питания для проектируемого устройства, а также в процессе изготовления печатных плат при выборе ши­рины токоведущих дорожек.

Наконец, к третьему уровню относится ряд параметров, ко­торые часто упоминаются в литературе, но не всегда приводятся в справочных таблицах:

• Порог срабатывания — уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ни­же — как нуль. Для наиболее распространенных ТТЛ мик­росхем он примерно равен 1,3... 1,4 В.

• Помехозащищенность — параметр, характеризующий ве­личину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состоя­ние выходных сигналов. Помехозащищенность определя­ется разницей между напряжением U_IH и порогом срабаты­вания (это помехозащищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и U_IL, (это помехозащищенность нулевого уровня).

• Коэффициент разветвления — число входов, которое мо­жет быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Этот параметр определяется отношением выход­ного тока к входному. Стандартная величина коэффициен­та разветвления при использовании микросхем одного ти­па (одной серии) равна 10.

• Нагрузочная способность — параметр выхода, характери­зующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффици­ентом разветвления.

Таким образом, большинство справочных параметров мик­росхемы относятся к третьему уровню представления (к модели с учетом электрических эффектов), поэтому в большинстве слу­чаев (до 80%) знать их точные значения наизусть не обязатель­но. Достаточно знать примерные типовые значения параметров для данной серии микросхем.