Логические элементы. Цифровые логические элементы Логические элементы и на 4 входа

Главная

Операционные системы

2.1 Основные определения

Электронные схемы, построенные только на логике, называют комбинационными. Выход или выходы зависят только от комбинации переменных на входах.

В отличие от таких же схем, содержащих элементы памяти (например, триггеры), которые называют последовательностными. Последовательностные, так как выход (выходы) зависят не только от комбинации переменных, но и от состояния элементов памяти (последовательности записи в них).

Выделяют три основных вида логических элементов: 1 Выполняют операцию сложения (сумматор). Дизъюнкция.

			F = x1 + x 2



							F = x1 + x 2 + ... + x n

2 Выполняют операцию умножения. Конъюнкция.

F = x1 x 2 ... x n



						F = x1 x2

3 Выполняют отрицание.

F = x

Логические элементы, реализующие эти операции, называют простейшими, а те, которые содержат несколько простейших, называют комбинированными.

Большая часть логических элементов сложения, умножения выполняется с отрицанием. Их типовая характеристика в статическом режиме имеет вид, изображенный на рисунке 2.1.

U пом+ U пом−

Рисунок 2.1 – Статическая характеристика логических элементов с отрицанием

U пом + – помеха, которая выводит логический элемент из устойчивого состояния

М на начало активной области в точку А (см. рисунок 2.1).

U пом − – помеха, выводящая из устойчивого состояния N в подножье активной области точки Б.

U - активная область, рабочая точка в этой области перемещается скачком,

и большинство логических элементов имеет ограничение по времени нахождения рабочей точки в этой области. Внутри между точками А и Б можно устанавливать рабочую точку только радиолюбителям.

В зависимости от цифровых величин U пом + , U пом − выделяют три вида логических схем:

- низкая помехоустойчивость (0,3÷0,4 долей вольта);

- средняя помехоустойчивость (0,4÷1 В);

- высокая помехоустойчивость (выше 1 В).

К схемам с высокой помехоустойчивостью относятся диодные логические схемы (до нескольких кВ); станковая логика (10÷15 В); комплементарная логика КМОП (6÷8 В).

По быстродействию выделяют четыре типа:

- время задержки менее 5 нс – сверхбыстродействие;

- 5÷10 нс – быстродействующая логика;

- 10÷50 нс – малое быстродействие;

- более 50 нс – медленнодействующие логические схемы.

Важным параметром является потребление мощности.

1 Выделяют микромощные логические схемы от одного до десятков мкВт на корпус. Обычно это КМОП–логика (см. КМОП–ключи) или логика с инжекционным питанием.

2 Логика со средним потреблением мощности от одного до десятков мВт на корпус. Обычно это ТТЛ–логика.

3 Логика с высоким потреблением мощности (сотни мВт на корпус).

Ранее была тенденция: чем больше потребление, тем выше быстодействие, потому что элементы транзисторов различных типов переключаются наиболее быстро в активной области (в этой области наибольшее потребление).

Выделяют

– диодные логические схемы (наиболее простые);

– транзисторно–транзисторные (ТТЛ–логика);

– эмиттерно–связная логика (ЭСЛ) – разновидность ТТЛ, отличие в эмиттерных связях, режиме и отрицательном питании, поэтому логику еще называют отрицательной в отличие от положительной логики ТТЛ (+2...5В). Для соединения, согласования их друг с другом, применяют схемы согласования ПУ (преобразователи уровня К500, ПУ124, ПУ125, К176 ПУ1, ПУ10).

– логика с инжекционным питанием И 2 Л – разновидность ТТЛ–логики (И2 – интегральная с инжекционным питанием).

– КМОП–логика – разновидность ТТЛ, но на УТ разного типа проводимости.

– ОПТЛ – (оптронные связи, транзисторная логика) дает гальваническую развязку.

– логика ПТШ, использующая полевые транзисторы Шоттки.

– логические матрицы.

По температурному запасу выделяют

– микросхемы широкого применения с температурным диапазоном -10°С…+70°С

– микросхемы специального применения -60°С… +125°С

Выделяют также по числу входов и по нагрузочной способности

– с малым числом входов m до десяти

– с большим числом входов – свыше десяти

– с малой нагрузочной способностью n, равной единице.

Под нагрузочной способностью подразумевают количество однотипных логических схем, которые можно подключить к выходу точно такой же логической схемы. Малую нагрузочную способность имеют пассивные логические схемы.

– со средней нагрузочной способностью n до десяти

– с высокой нагрузочной способностью n>10

2.2 Диодные логические схемы

Это самые простые схемы, имеют наивысшую помехоустойчивость. Число входов в среднем достигает десяти. Нагрузкой обычно является один элемент. Имеется ввиду, что нагрузка - точно такой же ЛЭ. Малая нагрузочная способность потому, что эти схемы относятся к пассивным, нет усилителей мощности. Частотный диапазон невысокий (до 1 МГц), так как объединенные параллельные диодные входы эквивалентны объединению параллельных конденсаторов, которые заряжаются, разряжаются. На это необходимо время, снижается быстродействие.

На рисунке 2.2 представлена диодно–логическая схема сложения.

Рисунок 2.2 – Диодно–логическая схема сложения

Возможны два состояния:

1 Входы соединены с землей через открытые выходы таких же логических схем. Иногда принимают это состояние эквивалентным соединению всех входов с землей посредством проводников.

2 Для того, чтобы открыть диоды необходимо подать напряжение, уровень которого в несколько раз больше зоны нечувствительности диодов.

5 В – минимальное стандартное напряжение, но оно может быть и 500 В и 5 кВ, если диоды высоковольтные. В этом случае и нагрузочная способность может быть больше единицы, но потребление схем становится большим.

Схема работает следующим образом. Принимаем, что на вход Х1 подается высокий уровень напряжения, который называется единицей. Этот уровень должен поступать с выхода точно такой же логической схемы, или каким-то другим способом, имитирующим те же условия. Но так как единица поступает только на вход Х1, то на остальных входах Х2…Хn должны быть нули. Они тоже должны быть организованы выходами таких же логических схем. В простейшем случае это могут быть проводники (перемычки), соединяющие входы Х2…Хn с землей. Следовательно, диод VD1 будет открыт, высокий уровень Х1 через VD1 проходит на выход, на котором выделяется также этот высокий уровень, из которого вычитается падение напряжения на диоде. Т.е. на выходе будет уже меньший высокий уровень, тем не менее, его называют единицей. Диоды VD2… VDn в это время будут закрыты, так как на входах Х2…Хn низкие уровни, их барьерные емкости включены параллельно, накапливают заряд.

Если теперь подать высокий уровень на вход Х2, то откроется VD2 но состояние выхода F почти не изменится, т.е. там сохраняется высокий уровень – единица. То же самое будет при подаче единицы на все входы одновременно. Таким образом, удовлетворяется операция логического сложения.

Принцип двойственности состоит здесь в том, что если единицами назвать низкие уровни на входах и на выходе, то эта логическая схема сложения будет выполнять логическую операцию умножения (см. рисунок 2.2).

ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Физ. устройства, реализующие функции матем. логики. Л. с. подразделяют на 2 класса: комбинационные схемы (Л. с. без памяти) и послед овател ьностные схемы (Л. с. с памятью). Л. с. являются основой любых систем (различных назначений и физ. природы) обработки дискретной информации. Л. с. может быть представлена в виде многополюсника (рис. 1), на к-рый поступает п входных сигналов и с к-рого снимается т выходных сигналов. При этом как независимые (логические) переменные Х 1 ,......, Х n , так и ф-ции Y 1 ,..., Y n , также наз. логическими, могут принимать к.-л. значения только из одного и того же конечного множества значений.

Наиб. распространены т. н. двоичные Л. с., для к-рых всё сигналов ограничено двумя значениями, отмечаемыми символами 1 и 0 и подчиняющимися условию: a =1, если и а =0, если Для представления чисел с помощью двоичных переменных 0 и 1 чаще всего применяют т. н. позиционный двоичный код, в к-ром разряды двоичного числа расставлены по степеням числа 2:

Напр., двоичное число 1101 2 =1*8+1*4+0*2+1*1 = 13. Поэтому при описании работы Л. с. необходимо различать, выступает данный в качестве числа или в качестве логич. переменной.

Для описания работы Л. с. используют табличный или аналитич. способы. В первом случае строят т. н. таблицу истинности, в к-рой приводятся все возможные сочетания входных сигналов (аргументов) и соответствующие им значения выходных сигналов (логич. ф-ций). В двоичной логике число разл. сочетаний из п аргументов равно 2 n , а число логических ф-ций Логич. ф-ции одного и двух независимых аргументбв, т. н. элементарные логич. ф-ции, приведены в табл. 1.


Функции (операции)	Аргументы:	Выражение через 3 осн. операции	Название логич. ф-ций
Функции (операции)	X 1 0 0 1 1 Х 2 0 1 0 1	Выражение через 3 осн. операции	Название логич. ф-ций
			константа нуль
			конъюнкция (операция И)
			запрет по Х 2
			тождественность X 1
			запрет по X 1
			тождественность X 2
			сумма по модулю два
			дизъюнкция (операция ИЛИ)
			стрелка Пирса (операция ИЛИ -НЕ)
			равнозначность
			равнозначность
			отрицание Х 2 (операция НЕ)
			импликация от X 2 к X 1
			отрицание Х 1 (операция НЕ)
			импликация от X 1 к X 2
			штрих Шеффера (операция И - НЕ)
			константа единица

Для всех ф-ций приведены таблицы истинности (столбец 2). При аналитич. описании работы Л. с. используют спец. символы, обозначающие нек-рые логич. операции (столбец 1). Так, черта над переменной обозначает логич. операцию НЕ (логич. отрицание или инверсия), символ - логич. операцию ИЛИ (логич. сложение или дизъюнкция), символ умножения (точка) - логич. операцию И (логич. умножение или конъюнкция). Три перечисленные ф-ции часто наз. основными, т. к. они в совокупности составляют функционально полную систему, с помощью к-рой можно выразить любую другую логич. ф-цию, как это показано в столбце 3 таблицы. Вообще же функциональной полнотой обладают мн. системы ф-ций, в частности каждая из ф-ций И-НЕ или ИЛИ-НЕ .

В табл. 1 приведены все ф-ции одного и двух аргументов; нек-рые из этих ф-ций могут быть распространены и на те случаи, когда число переменных больше двух. Напр., справедливы равенства

Логические . Л. с., выполняющая одну из элементарных логич. операций, наз. логич. элементом (ЛЭ). ЛЭ имеет один или неск. входов, на к-рые поступают сигналы X i , и один выход. При этом выходной сигнал Y элемента не должен оказывать обратного воздействия на входной сигнал (однонаправленность ЛЭ). ЛЭ изображают прямоугольником, в верхней части к-рого обозначают символ операции. Входы показывают с левой стороны прямоугольника, выходы с правой. Операцию инверсии отмечают кружком у соответствующего выхода (рис. 2). Л. с. любой сложности можно построить из любого функционально полного набора ЛЭ путём соединения выходов одних элементов со входами других. Напр., для осуществления логич. операции

Суммирование по модулю два (строка У 6 в табл. 1) можно собрать схему, состоящую из 5 элементов, выполняющих операции НЕ, ИЛИ и И (рис. 3). К ЛЭ предъявляется комплекс требований, нередко имеющих взаимоисключающий характер, напр. большое быстродействие и малое энергопотребление, высокая надёжность и низкая себестоимость, небольшие габариты и и высокая технологичность произ-ва. Из всех возможных разновидностей ЛЭ (электромеха-нич., пневматич., электронных, оптич. и т. п.) совокупности всех требований наилучшим образом удовлетворяют полупроводниковые элементы, т. н. логич. (цифровые) полупроводниковые интегр. микросхемы, ИМС (см. Цифровые устройства, ). Простейшим ЛЭ является инвертор, к-рый может быть реализован на однотранзисторном усилит. каскаде, работающем в режиме электронного ключа (рис. 4, а). Если на вход этого усилителя подать достаточно высокое положит. (логич. сигнал 1), то откроется и напряжение на его выходе упадёт (логич. сигнал 0). И наоборот, при низком уровне входного сигнала транзистор будет заперт и напряжение на его выходе будет максимальным (логич. сигнал 1). Простейший элемент типа И-НЕ (рис. 4, б )получится при добавлении к инвертору на транзисторе входной логич. схемы И на многоэмиттерном транзисторе Т 1 . (см. Транзистор биполярный). Если на все входы транзистора Т 1 . поданы сигналы высокого уровня, то соответствующие базовые переходы Т 1 . будут закрыты. Тогда , протекающий через резистор R 1 и два последовательно включённых перехода транзисторов Т 1 . (база - коллектор) и Т 2 (база-эмиттер), открывает выходный транзистор Т 2 . Если же на один или несколько входов X i подано низкое напряжение (логич. 0), то открываются соответствующие переходы эмиттер-база транзистора Т 1 . При этом практически весь ток, текущий через R 1 пойдёт через открытый эмиттерный переход, т. к. его сопротивление значительно меньше сопротивления двух последовательно включённых переходов, и транзистор Т 2 окажется запертым. Широкое применение находят и др. типы ИМС. Это вызвано тем, что схемные и технологич. особенности определяют, как минимум, 2 самых важных параметра логич. микросхем: быстродействие и потребляемую (для совр. ЛЭ в интегр. исполнении переключения из одного в др., т, е. быстродействие ЛЭ, составляет от 50 до 0,2 нc при потребляемой мощности от 0,001 до 40 мВт). Эти параметры противоречивы, и в рамках одной технологии при улучшении одного неизбежно ухудшается другой, в связи с чем общее число типов ИМС, имеющих разл. сочетание осн. параметров и выполненных по разным технологиям, непрерывно расширяется.

Из ЛЭ разл. типа собирают более сложные функционально законченные устройства (операц. элементы, ОЭ), выполняющие определённые (не элементарные) логич. операции над входными сигналами и строящиеся по комбинационной и последовательностной схемам.

Комбинационные схемы - Л. с. без запоминания переменных - схемы, в к-рых в любой момент времени значения выходных сигналов однозначно определяются значениями входных сигналов X i . Наиб. распространёнными типами комбинац. схем являются ЛЭ (простейшие комбинац. схемы) и ОЭ . типов: кодов (шифраторы и дешифраторы), коммутаторы (мультиплексоры и демультиплексоры), ариметич. устройства (компараторы, сумматоры и пр.).

Шифратор (кодировщик) - ОЭ, преобразующий единичный сигнал на одном из п входов в m -разрядный выходной код. Напр., на пульте ввода информации имеется 10 клавиш с номерами i=0, 1, ..., 9. При нажатии i -й клавиши на вход шифратора подаётся единичный сигнал X i . На выходе шифратора должны появиться сигналы, отображающие двоичный код (Y 3 , . . ., Y 0) входного сигнала X/. Как видно из таблицы истинности шифратора (табл. 2), в этом случае нужна комбинац. схема с десятью входами и четырьмя выходами. На выходе Y 0 единица появляется при нажатии любой нечётной клавиши, т. е. Y 0 = Для остальных выходов логич. ф-ции имеют вид

Следовательно, для реализации шифратора необходимы четыре элемента ИЛИ: пятивходовый, два четырёхвходовых и двухвходовый. Схема шифратора и его условно-графич. обозначение показаны на рис. 5, а, б.

Дешифратор (декодировщик) - ОЭ, преобразующий n -разрядный входной код в сигнал только на одном из своих m выходов. Дешифратор двоичного n -разрядного кода имеет 2 n выходов. Таблицу истинности дешифратора, переводящего двоичный код в десятичное число (код "1 из 10"), можно получить из табл. 2, взаимно поменяв в ней местами входные и выходные переменные. По таблице истинности составляются логич. ф-ции и схема дешифратора. условно-графич. обозначения дешифратора трёхразрядного двоичного кода в код "1 из 8" см. на рис. 6.

Мультиплексор - ОЭ, осуществляющий адресное переключение заданного числа входных сигналов на один выход. Мультиплексор имеет два вида входов: информационные (Х 0 , ..., Х n ) и адресные (А 0 , ..., А m ). Выбор информац. линия производится кодом, поступающим на адресные входы. Поэтому на выход устройства передаются сигналы с того информац. входа X i , номер к-рого соответствует двоичному коду на адресных входах А т, ...., А 0 . Схему и условно-графич. обозначение мультиплексора на четыре входа см. на рис. 7. Из схемы следует, что

Для увеличения числа информац. входов необходимо увеличивать число адресных входов, т. к. п=2 т.

Демультиплексор - ОЭ, осуществляющий адресное подключение одного входного сигнала X к одному из множества выходов Y 0 , . . ., Y n . Сигнал X, поступающий на информац. вход, передаётся на тот выход Y i , номер к-рого задан адресными сигналами А m , . . ., А 0 . Логика выбора адреса в демультиплексоре такая же, как и в мультиплексоре. Схему и условно-графич. обозначение демультиплексора на 4 выхода см. на рис. 8.

Компаратор - ОЭ, производящий сравнение двух чисел А и В. Результат сравнения отображается единичным логич. уровнем на одном из трёх выходов компаратора Y A=B , Y Y Таблица истинности одноразрядного компаратора весьма проста (табл. 3). По ней легко составить логич. ф-ции

и схему данного устройства (рис. 9).

Сумматор - ОЭ, выполняющий операцию сложения неск. чисел. Двоичный сумматор является достаточно универсальным элементом и используется также при выполнении операций вычитания, умножения и деления. При сложении двух многоразрядных двоичных чисел в каждом i -м разряде находится сумма трёх чисел по модулю два (А i , В i ) и , поступившего из младшего разряда - P i- 1 ), и формируется сигнал переноса в старший разряд - Р i . По таблице истинности одноразрядного сумматора (табл. 4) составляют логич. ф-ции для выходных величин:

По этим ф-циям строят схему сумматора (рис. 10) на двух элементах СУММА ПО МОДУЛЮ 2, трёх элементах И и одном элементе ИЛИ. Для сложения многоразрядных чисел используют многоразрядные сумматоры, к-рые в простейшем случае получают последоват. соединением одноразрядных сумматоров (рис. 11).

Таб л. 2


	Входы (десятичное число X i )	Выходы (двоичный
	Входы (десятичное число X i )

		Выходы


			Выходы
слагаемые		перенос		перенос
А i	в i	P i -l		Р i

Рассмотренный способ реализации разл. комбинац. схем на основе ЛЭ не является единственно возможным.

Для этих же целей можно использовать и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), в к-рых записаны необходимые таблицы истинности. При этом роль адреса, выбираемого из ПЗУ слова, будут играть входные сигналы (аргументы), а роль реализуемой логич. ф-ции - слово, записанное в ПЗУ по этому адресу.

Последовательностные схемы - Л. с. с запоминанием переменных - схемы, выходные сигналы к-рых зависят не только от значения входных сигналов в данный момент времени, но и от последовательности значений входных сигналов в предшествующие времени. Последовательностные схемы собираются из комбинационных путём введения в них обратных связей. Простейшим последовательностным устройством является RS-триггер, наз. также базовым элементом последовательностной логики. Базовые элементы лежат в основе всех остальных устройств последовательностной логики: многофункциональных триггеров разл. типа, регистров, счётчиков, многих видов запоминающих устройств.

Работу последовательностных схем обычно рассматривают в дискретном времени, состоящем из отд. интервалов - тактов. Длительность отд. тактов несущественна, при этом они могут быть как равными, так и различными. Изменение выходных сигналов последо-вательностного устройства может происходить только в начале (или конце) нового такта. В обозначения входных и выходных сигналов помимо их номера может включаться и обозначение номера такта; так и означают выходной сигнал Y i в п- мтакте и в следующем, (n +1)-м, такте. Последовательностные схемы обычно описывают при помощи таблиц переключений или переключат. ф-ций, представляющих собой таблицы истинности и логич. ф-ции, составленные с учётом номера такта. При описании таких схем используют также и временные диаграммы.

Триггеры -Последовательностные элементы с двумя устойчивыми выходными состояниями (0 или 1). Под действием входных сигналов способен переключаться в др. состояние с противоположным выходным сигналом. Осн. назначение - запоминание двоичной информации, заключающееся в сохранении триггером заданного состояния после прекращения действия переключающего сигнала. Простейший RS-триггер представляет собой устройство из двух ЛЭ D1 и D2 типа ИЛИ-НЕ (или И-НЕ), охваченных перекрёстной положительной обратной связью (рис. 12). Он имеет два свободных (управляющих) входа, обычно обозначаемых буквами R (от англ. reset - возврат) и S (англ. set - установка), и два выхода: прямой (Q) и инверсный Состояние триггера определяется по сигналам на его прямом выходе, т. е. считают, что находится в единичном состоянии, если 0 = 1 и и в нулевом состоянии, если Q=0 и Как видно из схемы рис. 12, состояние триггера может быть определено из логич. ф-ций элементов ИЛИ-НЕ: Q (для D 1) и = (для D2 ). Анализ состояния триггера в каждом из п тактов необходимо начинать с того элемента (D 1или D 2), на управляющем входе к-рого появилась 1. В этом случае, независимо от сигнала на 2-м входе этого элемента - выходного сигнала др. элемента в конце предыдущего, ( п- 1)-го такта,- на его выходе возникнет 0. Сигнал логич. О по цепи обратной связи поступает на др. элемент и совместно со вторым управляющим сигналом определяет его выходное состояние. Всего возможны четыре комбинации управляющих сигналов:

R = l и S=0, тогда и т. е. происходит установка триггера в нулевое устойчивое состояние (Q "=0 и независимо от состояния триггера в предыдущем, ( п- 1)-м такте;

R=0 и S=1, тогда Q n =00=1, т. е. триггер устанавливается в единичное устойчивое состояние независимо от предыдущего состояния;

R = S=0, тогда и т. е. состояние триггера в n -м такте осталось таким же, как и в предыдущем, ( п- 1)-м, такте;

R=S = 1, тогда Q n = и т. е. оба выходных сигнала равны 0, что не позволяет однозначно определить состояние системы.

Комбинации управляющих сигналов определяют и соответствующие режимы работы триггера: режим записи 0 (режим возврата), режим записи единицы (режим установки), режим хранения информации Q n = Q n -1 и запрещённый (неоднозначный) режим Переход RS -триггера из одного режима в другой показан на рис. 13. Стрелками указана последовательность появления выходных сигналов триггера при подаче единичных сигналов на S- и R-входы в режимах записи О и 1, а пунктирными линиями - неопределённые (случайные) значения (или 0, или 1) хранимой информации после перехода триггера из запрещённого режима (7-й такт) в режим хранения (8-й. . .10-й такты).

Возможность перехода RS -триггера в случайное состояние при выходе из запрещённого режима работы является крупным его недостатком. Поэтому в последовательностных Л. с. используются, как правило, сложные триггеры, у к-рых нет запрещённых режимов работы. Любой тип сложного триггера состоит из базовой ячейки памяти RS -триггера) и устройства управления, к-рое представляет собой Л. с., преобразующую входную информацию в R- и S-сигналы.

Простейшую схему управления имеет статич. D -триггер (рис. 14, а). Его управляющее устройство - комбинац. схема, состоящая из инвертора и двух ЛЭ И. Сигналы, предназначенные для записи, поступают на вход D. На вход синхронизации С подаются тактовые импульсы (синхроимпульсы), определяющие момент записи. Как видно из рис. 14, a , S=D*C, a R = Следовательно, при С=0 независимо от значения D имеем S=R=0, т. е. RS -триггер находится в режиме хранения информации. При С=1 либо S-, либо R-сигнал равен 1 и триггер находится в режиме записи единицы (при D = l) или нуля (при D=0). Сигнал на выходе Q может измениться только в первой части каждого такта, пока на входе С имеется сигнал единичного уровня (рис. 14, б ). Во второй части такта (при С=0) триггер находится в режиме хранения информации, и поэтому выходной сигнал задерживается до окончания того такта, в к-ром он был записан. Так, единичный сигнал на входе D заканчивается задолго до конца 0-го и 3-го тактов, а на выходе триггера он задерживается до начала 1-го и 4-го тактов. Недостатком статич. D-триггера является сквозная передача информации с D-входа на выход во время действия синхроимпульса, в результате чего сигнал на выходе триггера может измениться неск. раз в пределах одного такта (напр., 2-й такт, рис. 14, б).

В динамич. D-триггере, свободном от недостатков статич. Д-триггера, запись информации производится только во время одного изперепадов напряжения (или из 0 в 1, или из 1 в 0) на входе С, и поэтому выходной сигнал может измениться только один раз в пределах такта . Условно-графич. обозначение одного из динамич. D -триггеров см. на рис. 15.

Соединив в динамич. D -триггере инверсный выход с информац. входом D (рис. 16, а), получают счётный T -триггер, к-рый имеет только один управляющий вход Т (рис. 16, б). Первоначально на выходе Q этого триггера - нулевой сигнал (рис. 16, в ), а на входе D==1. По фронту первого синхроимпульса единичное состояние с D-входа перепишется на выход Q и соответственно на выходе и входе D появится нуль. В след. такте на D-выход будет переписан нулевой сигнал с D-входа. Т. о., на выходе T -триггера будет меняться на противоположную по приходу каждого счётного синхроимпульса, а число выходных импульсов уменьшится в два раза по сравнению с числом входных импульсов.

Регистр - последовательностный ОЭ, предназначенный для хранения и (или) преобразования многоразрядных двоичных чисел. Регистр состоит из набора триггеров, число к-рых равно макс. разрядности хранимых чисел.

Простейший регистр - регистр с параллельным вводом информации. Схему и условно-графич. обозначение 4-разрядного регистра на D-триггерах см. на рис. 17.

Параллельный двоичный 4-разрядный код поступает на информац. входы D1, . . ., D4 всех триггеров и записывается в регистр по приходу синхроимпульса С. В промежутках между синхроимпульсами происходит подготовка новой входной информации, а её смена в регистре осуществляется по очередному синхроимпульсу. Такие регистры в основном используются в системах оперативной памяти (см. Памяти устройства). Схема регистра с последоват. вводом информации, выполненного на D-триггерах с динамич. управлением, и его временные диаграммы см. на рис. 18. По приходу синхроимпульса С в первый триггер записывается код (О или 1), находящийся в этот момент на его D-входе. Каждый следующий триггер по этому же синхроимпульсу переключается в состояние, в к-ром в этот момент находился предыдущий триггер. Это происходит потому, что выходное состояние триггера изменяется с нек-рой задержкой относительно фронта синхроимпульса, равной времени срабатывания триггера (рис. 18, б). Следовательно, при последоват. соединении триггеров каждый синхроимпульс сдвигает код числа в регистре на один разряд, и поэтому для записи n -разрядного кода требуется п синхроимпульсов. Напр., в регистр вводится двоичный 4-разрядный код 1011 (рис. 18, б). По 1-му синхроимпульсу в 1-й триггер записывается единица старшего разряда. По 2-му синхроимпульсу эта единица перепишется с выхода 1-го на выход 2-го триггера, а в 1-й триггер запишется нуль (следующий разряд кода). Таким же образом после прихода 4-го синхроимпульса в регистре окажется записанным число Q 4 -1. Q 3 -0, Q 2 -1. Q 1 -1. Дo прихода след. импульса последовательно введённый 4-разрядный код будет храниться в регистре в виде параллельного кода, к-рый можно считывать с выходов Q 4 , . . ., Q 1 .

Большое распространение получили универсальные регистры , способные записывать и считывать числа как в последовательном, так и в параллельном кодах. Поэтому их можно использовать для преобразования последоват. кода в параллельный и наоборот, выполнения нек-рых арифметич. и логич. операций. Благодаря своей многофункциональности регистры стали одними из наиболее распространённых ОЭ в системах автоматики и вычислит. техники.

Счётчик - последовательностный ОЭ, предназначенный для счёта импульсов, поступивших на его вход. Счётчик состоит из цепочки триггеров, число к-рых определяет его разрядность, а следовательно, и число разл. состояний счётчика, к-рое наз. коэф. (модулем) счёта - К. Если кол-во входных импульсов больше модуля счёта, то через каждые К импульсов счётчик возвращается в исходное состояние и цикл счёта начинается сначала.

Простейшим одноразрядным счётчиком с К=2 является одиночный T -триггер, меняющий своё состояние на противоположное под действием каждого входного импульса. Если за нач. состояние триггера принять Q=0, то по приходу 1-го импульса он перейдёт в новое состояние с Q = l, а при поступлении 2-го импульса снова вернётся в исходное состояние с Q=0 и счёт может начинаться сначала. Цепочка из т счётных триггеров образует последоват. m -разрядный двоичный счётчик. Результат счёта отображается на выходах всех триггеров Q m ,....,Q 1 в виде параллельного двоичного кода числа сосчитанных импульсов, к-рый может принимать значения от 0, . . ., О до 1, . . ., 1. Т. к. число разрядов равно т, а каждая переменная может принимать лишь два значения (0 или 1), то число возможных состояний К=2 m . Макс. число импульсов, при к-ром счётчик полностью заполняется единицами, равно (2 m -1), т. к. с приходом 2 m -го импульса счётчик опять переходит в нулевое состояние.

На рис. 19, а приведена схема 4-разрядного двоичного счётчика на T -триггерах, срабатывающих по заднему фронту при переходе из 1 в 0 входного сигнала. Условно-графич. обозначение счётчика и его временные диаграммы см. на рис. 19, б. Диаграммы начинаются с момента, когда счётчик заполнен, т. е. на всех его выходах находятся сигналы единичного уровня - 1111. Число импульсов, подсчитанных счётчиком к этому времени, 1111 2 =1*2 3 +1*2 2 +1*2 1 +1*2 0 =15, что соответствует последнему (2 4 -1) его состоянию. По заднему фронту следующего (16-го) импульса все триггеры последовательно переключаются (стрелки на диаграмме) и счётчик переходит в исходное (нулевое) состояние. С приходом каждого след. импульса параллельный двоичный код на выходе счётчика будет увеличиваться на единицу, пока снова не наступит переполнение счётчика.

Рассмотренный суммирующий счётчик можно преобразовать в вычитающий, у к-рого выходной код будет уменьшаться на единицу с приходом каждого счётного импульса. Для этого достаточно входы синхронизации 2-го и следующих триггеров подключить не к прямым, а к инверсным выходам предыдущих триггеров.

Наиб. часто используются счётчики с коэф. счёта, не равным 2 m . Напр., в электронных часах необходимы счётчики с модулем К= 6(десятки мин), K = 10 (единицы мин), К= 7(дни недели). Для построения счётчика с можно использовать цепочку из т триггеров, для к-рой выполняется условие Очевидно, такой счётчик имеет лишние устойчивые состояния (2 m - - К). Их исключают, вводя обратные связи в цепь сброса счётчика в нулевое состояние, в том такте работы, когда счётчик досчитывает до числа К. Напр., для счётчика с K =5 нужны три триггера, т. к. Счётчик должен иметь пять устойчивых состояний N =0, 1, 2, 3, 4. В том такте, когда он должен перейти в устойчивое состояние N =5, его необходимо установить в исходное нулевое состояние. В схему такого счётчика (рис. 20, а) помимо трёх триггеров включают логич. элемент И, на к-рый подают выходные сигналы счётчика, соответствующие первому запрещённому состоянию, т. е. числу 5. С выхода элемента И сигнал сброса поступает на входы установки триггеров в 0 (R-входы). Как видно из диаграммы (рис. 20, б), в самом начале 6-го состояния (число 5) на обоих входах элемента И появляются логич. 1, вызывающие появление сигнала R = l, сбрасывающего счётчик в исходное состояние. После сброса триггера в нуль исчезает и единичный R-сигнал в цепи обратной связи и счётчик снова готов к работе в новом цикле.

Счётчики могут выполнять ф-ции делителей частоты, т. е. устройств, формирующих из импульсной последовательности с частотой f вх, импульсную последовательность f вых на выходе последнего триггера с частотой

Помимо рассмотренных простейших типов счётчиков существует большое кол-во более совершенных, но и значительно более сложных конструкций, обладающих лучшими параметрами и дополнит. функциональными возможностями .

Осн. типы Л. с. являются базой для построения разнообразных цифровых устройств ( процессоров, памяти устройств и пр.), из к-рых состоят совр. и системы автоматич. управления объектами и процессами.

Лит.: 1) Савельев А. Я., Арифметические и логические основы цифровых автоматов, М., 1980; 2) Зельдин Е. А., Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре, Л., 1986; 3) 3алманзон Л. А., Беседы об автоматике и кибернетике, М., 1981; 4) Мальцева Л. А., Фромберг Э. М., Ямпольский В. С., Основы цифровой техники, М., 1986; 5) ГОСТ 2

логические схемы с низким уровнем - логические микросхемы — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы логические микросхемы EN low level logic … Справочник технического переводчика

логические схемы (устройства) управления - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN control logic … Справочник технического переводчика

логические схемы коммутации - коммутирующая логика — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом Синонимы коммутирующая логика EN switching logic … Справочник технического переводчика

логические схемы на (магнитных) сердечниках - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN core logic … Справочник технического переводчика

логические схемы на переключателях тока - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN current mode logiccurrent sinking logiccurrent steering logic … Справочник технического переводчика

логические схемы на пороговых элементах - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN threshold logic … Справочник технического переводчика

логические схемы переключения при отказе - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN failover logic … Справочник технического переводчика

логические схемы с буферными усилительными элементами - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN buffered logic … Справочник технического переводчика

логические схемы с внутренней синхронизацией - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN self checking logic … Справочник технического переводчика, Логические схемы разработаны в соответствии с учебной программой курса`Экономическая безопасность хозяйствующих субъектов`. Пособие предназначено для оказания методической помощи слушателям в… ,

Абсолютно все цифровые микросхемы состоят из одних и тех же логических элементов – «кирпичиков» любого цифрового узла. Вот о них мы и поговорим сейчас.

Логический элемент – это такая схемка, у которой несколько входов и один выход. Каждому состоянию сигналов на входах, соответствует определенный сигнал на выходе.

Итак, какие бывают элементы?

Элемент «И» (AND)

Иначе его называют «конъюнктор».

Для того, чтобы понять как он работает, нужно нарисовать таблицу, в которой будут перечислены состояния на выходе при любой комбинации входных сигналов. Такая таблица называется «таблица истинности ». Таблицы истинности широко применяются в цифровой технике для описания работы логических схем.

Вот так выглядит элемент «И» и его таблица истинности:

Поскольку вам придется общаться как с русской, так и с буржуйской тех. документацией, я буду приводить условные графические обозначения (УГО) элементов и по нашим и по не нашим стандартам.

Смотрим таблицу истинности, и проясняем в мозгу принцип. Понять его не сложно: единица на выходе элемента «И» возникает только тогда, когда на оба входа поданы единицы. Это объясняет название элемента: единицы должны быть И на одном, И на другом входе.

Если посмотреть чуток иначе, то можно сказать так: на выходе элемента «И» будет ноль в том случае, если хотя бы на один из его входов подан ноль. Запоминаем. Идем дальше.

Элемент «ИЛИ» (OR)

По другому, его зовут «дизъюнктор».

Любуемся:

Опять же, название говорит само за себя.

На выходе возникает единица, когда на один ИЛИ на другой ИЛИ на оба сразу входа подана единица. Этот элемент можно назвать также элементом «И» для негативной логики: ноль на его выходе бывает только в том случае, если и на один и на второй вход поданы нули.

Элемент «НЕ» (NOT)

Чаще, его называют «инвертор».

Надо чего-нибудь говорить по поводу его работы?

Элемент «И-НЕ» (NAND)

Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал полностью противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» - единица. И наоборот. Э то легко понять по эквивалентной схеме элемента:

Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Та же история – элемент «ИЛИ» с инвертором на выходе.

Следующий товарищ устроен несколько хитрее:
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR)

Он вот такой:

Операция, которую он выполняет, часто называют «сложение по модулю 2». На самом деле, на этих элементах строятся цифровые сумматоры.

Смотрим таблицу истинности. Когда на выходе единицы? Правильно: когда на входах разные сигналы. На одном – 1, на другом – 0. Вот такой он хитрый.

Эквивалентная схема примерно такая:

Ее запоминать не обязательно.

Собственно, это и есть основные логические элементы. На их основе строятся абсолютно любые цифровые микросхемы. Даже ваш любимый Пентиум 4.

Ну и напоследок – несколько микросхем, внутри которых содержатся цифровые элементы. Около выводов элементов обозначены номера соответствующих ног микросхемы. Все микросхемы, перечисленные здесь, имеют 14 ног. Питание подается на ножки 7 (-) и 14 (+). Напряжение питания – смотри в таблице в предыдущем параграфе.

Логические схемы