Внедрение микропроцессорной, и вообще цифровой, техники в устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания. Книга посвящена логическому проектированию функциональных узлов цифровой аппаратуры и организации взаимодействия этих узлов. Под функциональным узлом понимается схема обозримой сложности, реализующая законченную функцию, например — дешифратор, регистр, счетчик, мультиплексор и т. п. Для функциональных узлов характерна универсальность: различные цифровые устройства и целые процессоры построены из узлов весьма небольшого числа типов.
В отличие от большинства публикаций в этой книге предотвращение сбоев из-за переходных процессов, гонок рассматривается не как дополнительное мероприятие по повышению надежности, а как вопрос элементарной грамотности проектирования функциональной схемы с позиций соблюдения четко сформулированных норм. Большое внимание уделяется выбору параметров системы синхронизации. Все эти вопросы недостаточно отражены в массовой литературе по цифровой технике, оставаясь предметом узкоспециализированных публикаций, не освещающих проблемы в целом и, как правило, трудных для понимания начинающими специалистами. В результате в опытных образцах цифровой аппаратуры доля ошибок и сбоев, вызванных гонками, весьма велика, что влечет длительную наладку и доводку схемы. Между тем склонность к сбоям из-за гонок закладывается в значительной степени на этапе проектирования функциональной схемы.
Книга компоновалась в большой мере как обобщенный ответ на множество практических вопросов, возникающих у тех^, кто начал самостоятельно разрабатывать схемы цифровой аппаратуры; отсюда иногда не совсем традиционный подбор рассматриваемых тем.
Для помощи читателю ряд тем, особенно в первых главах, представлен в форме упражнений: попытка самостоятельно построить схему, даже если она не увенчалась успе-
1* 3
хом, порождает серию целенаправленных вопросов, в результате предлагаемое решение понимается и усваивается намного лучше. Разбираются типичные ошибки начинающих схемотехников. Тем, кто желает всерьез овладеть логическим проектированием, настоятельно рекомендуется не торопиться «заглотать» сразу всю книгу, а -останавливаться, оглядываться и выполнять встречающиеся упражнения. В качестве материала почти для всех упражнений используются реальные схемы широко применяемых функциональных узлов, чтобы совместить изучение приемов логического проектирования с освоением практических схем узлов.
Особое внимание уделено выявлению самих принципов построения различных узлов с тем, чтобы читатель мог самостоятельно строить требуемые модификации узла (например, при работе на базовых матричных кристаллах) или приспосабливать готовый вариант схемы для нестандартных условий применения. Автор стремится убедить читателя, что число основных принципов, которые нужно один раз понять и запомнить, невелико, а конкретных схем, которые можно на их основе построить самостоятельно, — великое множество.
Применительно к микросхемам средней интеграции в книге рассматриваются те их возможности и ограничения, которые определяются примененным в них вариантом логической схемы, но не вытекают из паспортных данных и не отражены в распространенных справочниках. При этом освещается смысл ряда паспортных данных, регламентирующих протекание переходных процессов, которые пока еще приводятся только в подробных справочниках или ТУ на микросхемы. Объясняется, как использовать эти данные для более полной реализации логических возможностей микросхем.
Главы 1 и 2 по содержанию и стилю изложения ориентированы на начинающих. Схемотехники, имеющие некоторый опыт, могут «пробежать» их «по диагонали», останавливаясь лишь на менее знакомых разделах. Таковыми, вероятно, окажутся § 1.5, 1.8—1.10, 2.3, 2.8—2.11. Глава 3 — переходная: уменьшается число упражнений, возрастает плотность потока технических сведений. В гл. 4 собраны наиболее сложные узлы комбинационного типа, и при освоении азов цифровой техники ее в первом чтении можно опустить.
Глава 5 открывает вторую часть книги, где рассматриваются схемы, процессы в которых существенно зависят от
4
нпемени Она служит введением в эту часть, поэтому схемотехники имеющие опыт, могут перейти сразу к базовым . главам второй части книги — гл. 6 и 7. Несмотря на то что формально они посвящены в основном лишь триггерам и способам их применения, эти главы целесообразно просмотреть даже достаточно опытным схемотехникам, поскольку вводимые в них положения используются в дальнейшем, а некоторые из них, к сожалению, не очень широко известны. Для начинающих обязательно не только понимание, но и запоминание основных положений гл. 5—8, потому что нарушение именно этих положений чаще всего приводит к ошибкам в логических схемах, вызывающим гонки и как следствие —нерегулярные, трудно диагностируемые сбои. В первом чтении начинающие могут опустить лишь § 6.8 и 6.9.
Глава 9 посвящена счетчикам —узлам, без которых редко обходятся даже простейшие схемы цифровой автоматики. Столь же популярны и сдвигающие регистры, описанные в § 10.1. Остальная часть гл. 10, содержащая в основном схемы контроля, несколько сложнее других глав, и начинающие могут вернуться к ней при втором чтении.
Глава 11—это эксперимент по возможно менее строгому изложению процесса синтеза цифрового автомата с рекомендациями по решению наиболее часто встречающихся практических вопросов.
В список литературы включены лишь источники, которые в наибольшей степени могли бы послужить второй ступенькой для расширения кругозора по конкретному вопросу. Без такого ограничения начинающий читатель, брошенный в густые библиографические дебри, практически оказывается вовсе лишенным литературной поддержки.
В работе над книгой большую и очень разностороннюю помощь оказала автору Е. А. Потемкина, за что он приносит ей искреннюю благодарность. Автор также благодарен рецензенту Е. П. Угрюмову и редактору Ю. Н. Колотову за их большую и квалифицированную работу с рукописью, а главное — за освещение с иных точек зрения совершенно очевидных, как автору ранее казалось, положений. Это благотворно повлияло на содержание книги.
Автор с благодарностью примет любые замечания, направленные на устранение недостатков этой книги, которые следует высылать по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., д. 10, Энергоатомиздат.
Автор
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............... 3
Введение...... ¦........ °
Глава 1. Введение в алгебру логики ,,,.... Ю
1.1. Функции алгебры логики ........ Ю
1.2. Булевский базис........... 12
1.3. Произвольные функции и логические схемы ... 15
1.4. Минимизация функций......... 1°
1.5. О проблемах оптимизации логических выражений , 23
1.6. Инверсные и недоопределенные функции .... 27
1.7. Функции И-НЕ и ИЛИ-НЕ........ 30
1.8. Сумма по модулю 2 ......... . 32
1.9. Формулы де-Моргана......« 36
1.10. Положительная и отрицательная логика .... 40
1.11. Этапы построения логической схемы..... 43
Глава 2. Логическое проектирование в базисах микросхем . . 45
2.1. Серии логических элементов....... 45
12.2. Временные характеристики логических элементов . . 52
2.3. Оценка качества функциональных схем .... 55
2.4. Правила схемного включения элементов , 63
2.5. Элемент с открытым коллектором...... 65
2.6. Элемент с тремя состояниями выхода ..... 68
2.7. Расширение логических возможностей элементов . . 70
2.8. Узлы мажоритарного контроля ,...... 75
2.9. Компаратор............ 77
2.10. Преобразователи кода Грея....... 79
2.11. Узел свертки по четности........ 83
Глава 3. Кодирующие устройства........ 87
3.1. Дешифраторы............ 87
3.2. Мультиплексоры........... 96
3.3. Шифраторы ............ 102
3.4. Преобразователи произвольных кодов..... 107
3.5. Программируемые логические матрицы..... 109
3.6. Постоянные запоминающие устройства..... П5
3.7. О выборе способа реализации кодовых преобразователей 118
3.8. Применение преобразователей кода...... 119
Глава 4. Сумматоры и простые схемы контроля . , . , 121
4.1. Сумматоры............ 121
4.2. Сумматоры с последовательным переносом . . . 121
4.3. Сумматор с параллельным переносом..... 127
4.4. Краткий обзор сложных сумматоров..... 130
4.5. Инкрементор............ 132
4.6. Компаратор величин.......... 134
4.7. Умножители............ 136
4.8. Контроль по четности......... 139
4 9. Контроль по Хэммингу......... 141
4.10. Схемы контроля логических преобразований . . . 146
Глава 5. Переходные процессы. Гонки ....... 149
5.1. Переходные процессы в логических схемах , , , , 149
5.2. Гонки.......... , . , . 156
5.3. Гонки по входу s , , ,....., , 164
Глава 6. Триггеры ,.....,.,,.. 166 I
6.1. ftS-триггер............. 166
G 2, D-триггер типа «защелка» . , ...... 172
6.3. Двухступенчатые триггеры ,,,,.«.. 177 |
6.4. Шестиэлементиый триггер . , ,.,,«. 188 !
6.5. Асинхронные входы триггеров......, 196 |
6.6. //(-триггер, использующий задержку...... 198 j
6.7. Классификация синхронных триггеров , . , » , 200
6.8. Регистры и регистровая память......» 206
6.9. Буферы типа «очередь» и «магазин»..... 211
Глава 7. Система синхронизации ........ 214
7.1. Система двухфазной синхронизации....., 214 j
7.2. Временные соотношения двухфазной синхронизации , , 218 ;
7.3. Однофазная синхронизация........ 227
7.4. О проеюировании схем с обратными связями , , , 235
7.5. Генераторы синхросигналов....., < , 239
Глава 8. Схема приема внешних сигналов . . . , , , 244
8.1. Функции схем приема внешних сигналов . , . , 244
8.2 Формирование длительности фронтов..... 244
8.3. Дребезг контактов........., 246
8.4. Привязка входных сигналов к синхроимпульсам . , 247
Глава 9. Двоичные счетчики......, . , 252 ;
9.1. Основные характеристики счетчиков..... 252
9.2. Организация переносов в счетчике .,.,., 254
9.3. Реверсивные счетчики......, , 262
9.4. Счетчики по произвольному основанию..... 265 <
9.5. Особенности микросхем счетчиков. Области применения 271 '
- Глава 10. Узлы на базе сдвигающих регистров .... 276
10.1. Сдвигающие регистры......... 276
10.2. Кольцевые распределители....... 285
10.3. Полиномиальные счетчики . ....... 290
10.4. Кодеры и фильтры циклических кодов ..... 294
Глава 11. Автоматы............ 300
11.1. Обобщенная схема автомата....... 300 ;
11.2. Формализация задания автомата ...,,, 302 !
11.3. Регистр состояний автомата ....... 312
11.4. Комбинационная схема автомата ...... 314
Список литературы «.,.,.,.,.,. 316
Цена: 150руб.
