Тема: Логические функции.

Практическая работа №1

Симферополь 2014 г.

ТЕМА: ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

Цель работы: - изучить назначение основных логических элементов;

- изучить обозначение логических элементов на схемах.

1.1. Теоретический раздел

1.1.1. Общие сведения

Подавляющее большинство современных электронных систем реализованы на цифровой элементной базе.

Интегральные схемы (ИС) являются элементами современных цифровых устройств. Применение ИС освобождает разработчика от необходимости проектирования схем из гаких дискретных элементов, как транзисторы, диоды и резисторы. Благодаря микроэлектронной технологии на крошечном кусочке (кристалле) кремния можно изготовить огромное число эквивалентных дискретных элементов. Получающаяся интегральная схема оказывается не только намного компактнее своего аналога из дискретных элементов, но и значительно дешевле и гораздо надежнее. Количество отдельных полупроводниковых элементов N на кристалле обычно связывается со степенью интеграции, численные характеристики которой приведены в таблице 1.1. В скобках приведена западная классификация.

Таблица 1.1. Характеристики степени интеграции

Степень интеграции	Аббревиатура	Обозначение	Число логических элементов
Первая (малая)	МИС	ИМС-1	1—10
Вторая (средняя)	СИС	ИМС-2	10—100
Третья (большая)	БИС	ИМС-3	100—1000
Четвертая (сверхбольшая)	СБИС	ИМС-4, БИС	1000—10000
Пятая (супербольшая)	-	ИПС-5, СБИС	10 000 100 000

Микропроцессор - программно-управляемое электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки информации, представленной к цифровом виде, и построенное на одной или нескольких БИС.

Микропроцессорный комплект совокупность БИС и другихинтегральных микросхем, совместимых друг с другом, но конструктивному и технологическому исполнению и предназначенных дли совместного применения.

Микрокомпьютер (микроЭВМ, микропроцессорная система) — миниатюрная вычислительная машина, состоящая из микропроцессора, запоминающего устройства, устройства ввода-вывода и блоков сопряжения с устройствами ввода-вывода (контроллеров).

Контроллер — устройство для управления передачей данных между микропроцессором и внешним устройством.

1.1.2. Основные логические элементы

Условные обозначения логических элементов и их таблицы истинности приведены в таблице 1,2

Буфер не изменяет логического состояния цифрового сигнала, т. е. логическая 1 (или 0) на входе вызывает логическую 1 (или 0) на выходе. Буферы обычно применяются для повышения нагрузочной способности но току, а также формирования логических уровней, действующих в интерфейсе (устройстве сопряжения).

Инвертор осуществляет дополнение логического состояния, т. е. логическая 1 на входе вызывает логический 0 на выходе и наоборот. Кроме того, инверторы усиливают сигнал по току и, как буферы, применяются в схемах интерфейсов.

Элемент И. На выходе элемента И логическая 1 появляется, если только все входы одновременно находятся в состоянии логической 1. Все остальные комбинации входов приводят к образованию на выходе логического 0.

Элемент НЕ-И. На выходе элемента НЕ-И образуется логический 0, когда все выходы одновременно находятся в состоянии логической 1. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логической 1. Следовательно, элемент НЕ-И — это просто элемент И с инвертированным выходом; кружок на выходе показывает эту инверсию.

Элемент ИЛИ. На выходе элемента ИЛИ появляется логическая 1, если хотя бы один из входов находится в состоянии логической 1. Другими словами, выход элемента ИЛИ соответствует логическому 0, если состояния всех входов одновременно равны логическому 0.

Элемент НЕ-ИЛИ. Элемент НЕ-ИЛИ выдает на выходе логическую 1, если только все его входы одновременно находятся в состоянии логического 0, Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логического 0. Нетрудно заметить, что этот элемент представляет собой элемент ИЛИ с инвертированным выходом. По-прежнему на инверсию указывает небольшой кружок на выходе элемента.

Элемент исключающее ИЛИ. Выход элемента исключающее ИЛИ (сумматора по модулю 2) соответствует логической 1, если один из входов находится в состоянии логической 1, а другой- в состоянии логического 0. На выходе появляется логический 0, когда логические состояния обоих входов одинаковы.

Инверторы и буферы имеют по одному входу, элементы исключающее ИЛИ — два входа, а остальные логические элементы могут иметь до восьми входов.

Таблица 1.2 - Основные логические элементы

1.1.3. Триггеры

Устройство, которое может хранить логическое состояние (0 или!) неопределенно долго (пока есть питание) образуют элементарную разновидность памяти, а поскольку их выход может находиться н одном из двух устойчивых состояний, их называют бистабильными схемами или триггерами.

Таблица 1.3 - Обозначение входов триггеров

Наименование входа	Обозначение входа
Раздельная установка: единицы нуля	S R
Установка состояния в универсальном JK - триггере: единицы нуля	J K
Информационный вход для установки в единицу или нуль	D
Подготовительный вход для разрешения приема информации	V
Исполнительный вход для осуществления приема информации	C
Вход синхронизации

Простейший триггер реализуется на двух элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ (рис. 1.1). Он имеет два входа установки и сброса и два дополняющих выхода Q иQ.

Сигнал логической 1 на входе установки заставляет выход Q перейти (или остаться) в состоянии логической 1, а сигнал логической 1 на входе сброса заставляет выход д перейти (или остаться) в состояние логического 0. В любом случае триггер останется в установленном или сброшенном состоянии до тех пор, пока входной сигнал не изменит это его состояние.

Рисунок 1.1- RS-триггер:

а) на элементах И-НЕ; б) на элементах ИЛИ-НЕ; в) условное обозначение

У простейших триггеров, выполненных на элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ.имеется существенный недостаток, который виден из таблицы состояния (табл. 1.4). Невозможно предсказать выходное состояние, которое останется после подачи логической 1 на оба входа одновременно. Следовательно, необходимы специальные меры, чтобы предотвратить такую запрещенную входную комбинацию.

Таблица 1.4 - Таблица состояния асинхронного RS-триггера

XI	Х2	У1
Установка, S	Сброс, R	Q	Q
		Не изменяется


		Не определено

На практике триггеры на элементах НЕ-И и НЕ-ИЛИ встречаются редко, так как существует множество более универсальных микросхем триггеров, поведение которых полностью предсказуемо.

D-триггер имеет два основных входа: D (от Delay — задержка или Data — данные) и С (синхронизация). Входные данные (логический «0» или логическая «1») подаются в триггер так, что его выходное состояние изменяется только в те моменты, когда меняется состояние сигнала синхронизации. Такая работа называется синхронизируемой. Предусматриваются также вспомогательные «ходы (обычно с активным низким уровнем), предназначенные для прямой установки или сброса триггера.

Типичное использование D-триггера как однобитной защелки данных показано на рис. 1.2. б. Работа схемы наглядно поясняется временной диаграммой па рис. 1.3.

Рисунок 1.2 - D-триггер:

а) условное обозначение; б) принцип работы

Рисунок 1.3 - Временная диаграмма работы D-триггера

Как видно из диаграммы, состояние входа П передается на выход Q по нарастающему фронту сигнала синхронизации. Спадающий фронт сигнала синхронизации не оказывает воздействия на выход Q.

D-триггеры, синхронизируются нарастающим фронтом С. а JK-триггеры —спадающим фронтом.

JK-триггер (рисунок 1.4) имеет два синхронизируемых входа J и К, два прямых входа Sи R, вход синхронизации С. и два дополняющих выхода.

Входы S и R активны при низком уровне, т. е. сигнал логического 0 на входе S переводит выход Q в состояние логической 1, а сигнал логического 0 на входе R— в состояние логического 0. Таблица состояний JK-триггера приведена в табл. 1.5, описание действия сигналов установки S и очистки R приведены в табл. 1.6.