Pierwsze kroki w cyfrówce – wstęp.pdf - Podstawy Elektroniki - Sin

Układy cyfrowe

Otrzymujemy od naszych

Czytelników sporo listów z prośbami

o artykuły wprowadzające do

techniki cyfrowej. Piszą do nas

zarówno młodzi, którzy dopiero

zaczynają swą życiową przygodę

z elektroniką, jak i weterani, którzy

albo jeszcze nie spróbowali swych

sił w ”cyfrówce”, albo zostali nieco

w tyle za rozwojem tej dziedziny.

Rzeczywiście, czas najwyższy

zacząć na łamach Elektroniki dla

Wszystkich systematyczny cykl

artykułów na temat techniki

cyfrowej. Zaczniemy od podstaw,

a skończymy... cóż, właściwie nie

sposób tego przewidzieć, bo

w szeroko pojętej dziedzinie

układów cyfrowych wciąż dzieje się

coś nowego, coś interesującego.

Zaczynamy więc kurs, a może raczej

korepetycje z techniki cyfrowej.

Przedstawiony materiał pozwoli

nadrobić ewentualne zaległości oraz

zrozumieć zasady działania i budowy

współczesnych cyfrowych układów

scalonych.

w cyfrówce

Czy nie boisz się, drogi Czytelniku, no−

woczesnych układów cyfrowych? Czy

nie peszą Cię trochę określenia w rodza−

ju: “GAL20V8”, “74125 w wersji ACT”,

albo “latch ‘573 LVC w wersji SMD”?

Z listów, które przychodzą do redakcji

wiem dobrze, iż wielu naszych Czytelni−

ków bardzo chciałoby poznać piękną

dziedzinę cyfrowych układów scalonych.

Inni trochę się zgubili, przestali nadążać

za rozwojem układów cyfrowych i czują

się trochę nieswojo w dżungli nowych

określeń i pojęć.

Co prawda istnieje sporo literatury na

ten temat, wiele szkolnych podręczni−

ków obszernie omawia technikę cyfro−

wą, jednak trzeba ze smutkiem stwier−

dzić, że większość dostępnych źródeł

omawia temat od strony czysto teore−

tycznej. Poza tym nierzadko są to infor−

macje, delikatnie mówiąc, nieświeże.

Publikacje takie zawierają zazwyczaj

ogromną ilość szczegółowych informacji,

jednak początkujący adept elektroniki

czuje się zagubiony, nie jest bowiem

w stanie stwierdzić, które z podanych

wiadomości są mu naprawdę potrzebne,

a co jest wypełniaczem − bezwartościo−

wą “watą” zupełnie niepotrzebną w jego

amatorskiej praktyce. Na domiar złego

wielu autorów podręczników lubuje się

w grafach, wzorach, tablicach Karnaugha

(czytaj Karnafa) i obliczeniach wykorzys−

tujących algebrę Boola (czytaj: bula).

Myślę, że Ty nie jesteś entuzjastą ta−

kiej “rozrywki”. Ja w każdym razie nie

jestem, i jeśli chcesz, spróbuję ci poka−

zać układy logiczne od strony praktycz−

nej. Wcześniej powinieneś jednak przy−

swoić sobie nieco wiadomości ogólnych,

które pozwolą szerzej, jakby z dystansu,

spojrzeć na całą “cyfrówkę” i we właści−

wych proporcjach ujrzeć związaną z tym

matematykę. Takiemu szerszemu spo−

jrzeniu poświęcony jest pierwszy odci−

nek cyklu.

Skąd się wzięła

technika cyfrowa?

Na początek przypuśćmy, że nic nie

wiesz o układach cyfrowych, nazywa−

nych też logicznymi. Zacznę więc od za−

mierzchłej historii. Rozwój szeroko poję−

tej elektroniki cyfrowej zaczął się od prób

przesyłania informacji na odległość.

Wiesz przecież, co to jest alfabet

Morse’a: za pomocą kresek i kropek

można przesłać dowolną informację tek−

stową.

Z czasem pomysłowy pan Bell wyna−

lazł telefon. Rozwój telegrafu i telefonu

wiązał się z powstawaniem central −

miejsc, gdzie następowało łączenie po−

szczególnych abonentów i torów trans−

misyjnych. Najpierw były to centrale

ręczne obsługiwane przez miłe i młode

telefonistki, później jakiś niepoprawny

smutas wykombinował, że opłaci się za−

stąpić te miłe i ładne panienki jakimiś

bezdusznymi urządzeniami, które auto−

matycznie będą łączyć rozmowy, w takt

impulsów powstających w tarczy apara−

tu telefonicznego.

W telegrafie interesują nas tylko dwa

stany: jest prąd, albo go nie ma. Podob−

nie jest z centralą telefoniczną, zbudowa−

ną z przekaźników. W zależności od sta−

nów linii i impulsów nadawanych przez

tarcze telefoniczne, centrala bez udziału

człowieka podejmuje decyzje, realizuje

potrzebne połączenia, wysyła i przepusz−

cza sygnały. Pomimo, że centrala taka

może spełniać dość skomplikowane fun−

kcje, jej działanie opiera się na tej samej

podstawowej prostej zasadzie: dany

przekaźnik albo zadziała, albo pozostaje

w spoczynku, zależnie od układu połą−

czeń styków i stanów innych przekaźni−

ków.

Mamy więc przykład urządzenia, które

wyposażone jest w pewną miarę inteli−

gencji, czyli realizuje funkcje logiczne,

a przy tym jego działanie w sumie opiera

się tylko na dwóch stanach: załącz, wy−

łącz, inaczej mówiąc: jest, nie ma.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Pierwsze kroki

Układy cyfrowe

Rys. 1. Prosty układ zabezpieczający

Taka sytuacja zdarzała się wielokrot−

nie w historii nauki − matematycy wy−

myślali jakieś dziwaczne teorie, odkładali

je na półkę, a po jakimś czasie po pomoc

przychodzili praktycy i pytali: czy nie

moglibyście nam pomóc? Czy potrafili−

byście opisać językiem matematyki tego,

czym my się zajmujemy? Wtedy mogli−

byśmy znacznie łatwiej poradzić sobie

z naszymi skomplikowanymi zadaniami.

Najczęściej okazywało się, iż potrzeb−

ne zależności matematyczne zostały już

dawno opracowane przez jakiegoś na−

wiedzonego teoretyka. Tak było z wielo−

ma odkryciami z zakresu fizyki cząstek

elementarnych, tak było z teorią względ−

ności Einsteina, tak było również z prob−

lemami z dziedziny automatyki.

Stało się jasne, że działanie nawet naj−

bardziej skomplikowanych układów auto−

matyki opiera się pewnych matematycz−

nych zasadach. Ich działanie można opi−

sać i rozumieć jako przepływ i przetwa−

rzanie informacji . A informacje można

przedstawić w postaci liczb.

Co więcej, wykazano, że wszystkie

przedmioty, zjawiska i procesy, jakie wy−

stępują we wszechświecie, można opi−

sać za pomocą liczb. Na przykład stało

się jasne, że zamiast przetwarzać sygna−

ły dźwiękowe, można je przedstawić za

pomocą liczb, wykonać działania na tych

liczbach i na koniec niejako zamienić

otrzymane liczby z powrotem na sygna−

ły. Najróżniejsze przebiegi, choćby syg−

nały dźwiękowe, również można przed−

stawić w postaci liczb, odpowiednio za−

kodować, przesłać na odległość i na po−

wrót zamienić na pierwotne sygnały.

Czy taka skomplikowana procedura

ma jednak sens? Przed laty, gdy dostęp−

ne środki techniczne były bardzo niedos−

konałe, nie stosowano takich cyfrowych

metod. Z czasem postępy techniki umoż−

liwiły ich stosowanie, i co ważniejsze, za−

pewniły znacznie lepsze parametry

i właściwości, niż stosowane wcześniej

rozwiązania bezpośrednie, analogowe.

Przykładami z życia codziennego są

płyta kompaktowa, telefonia cyfrowa,

czy nowoczesne elektroniczne instru−

menty muzyczne.

Z czasem nauczyliśmy się przetwa−

rzać cyfrowo nie tylko dźwięk, ale i obraz

− przykładem niech będą zadziwiające

efekty wizualne w teledyskach, grach

komputerowych i tzw. wirtualnej rzeczy−

wistości komputerowej. Zadziwiają nas

nowe płyty kompaktowe wideo, zawiera−

jące pełnometrażowe filmy, CD−romy,

czyli komputerowe pamięci na “kompak−

tach”, magazynujące ogromne ilości in−

formacji. Nie możemy się nadziwić, jakie

możliwości mają współczesne kompute−

ry, cyfrowe magnetowidy, cyfrowe in−

strumenty muzyczne i cyfrowe proceso−

ry dźwięku...

Wyobraź sobie jeszcze dyspozytornię

dużego węzła kolejowego. Na pewno

ogromne znaczenie mają tam wskaźniki

informujące o stanie semaforów, usta−

wieniu zwrotnic itp. Dobrze zaprojekto−

wana dyspozytornia powinna charaktery−

zować się sporą miarą inteligencji − musi

zasygnalizować, lub nawet nie dopuścić

do takiego ustawienia zwrotnic, które

groziłoby zderzeniem dwóch pociągów

na jednym torze.

Zauważ, iż większość, jeśli nie wszys−

tkie urządzenia takiej dyspozytorni, też

są przykładem urządzeń dwustanowych.

Semafor może być podniesiony lub

opuszczony, zwrotnica może być usta−

wiona na dwa sposoby. Nie ma tu sta−

nów pośrednich. Te dwa podstawowe

stany przyjęto oznaczać 0 i 1, albo też

L i H. Oznaczenia L, H, wywodzą się od

angielskich słów Low − niski i High − wy−

soki. W technice komputerowej używa

się też oznaczeń true i false (prawdziwe,

fałszywe), które z grubsza biorąc są od−

powiednikami stanów 1 i 0.

Na rysunku 1

mego odcinka torów. Jeśli nieuważny

dyspozytor przypadkowo otworzyłby

wjazd na ten odcinek z obu stron, oba

przekaźniki zadziałają i w dyspozytorni

rozlegnie się ostrzegawczy dźwięk

dzwonka.

Działanie jest oczywiste − dzwonek

ma dzwonić, gdy zadziałają oba przekaź−

niki. Ale można też powiedzieć, że układ

realizuje pewną funkcję logiczną − być

może wiesz, iż jest to funkcja zwana

AND (po polsku I). Do zrealizowania ta−

kiego “inteligentnego” układu wystarczy

odrobina intuicji.

Jeśli jednak dyspozytornia ma obsłu−

giwać duży węzeł kolejowy, potrzebne

funkcje będą znacznie bardziej skompli−

kowane, a układ połączeń przekaźników

będzie niewątpliwie bardzo złożony. Przy

projektowaniu i analizie takich skom−

plikowanych sieci podejście intuicyj−

ne może nie wystarczyć, trudno bowiem

objąć myślą wszystkie szczegóły działa−

nie całego wielkiego systemu. Co zro−

bić?

A może pomocne byłoby potraktowa−

nie dyspozytorni, czy też centrali, jako

przysłowiowej czarnej skrzynki, która ma

pewną ilość wejść i określoną ilość

wyjść? Czy można w jakiś względnie

prosty sposób opisać jej działanie i czy

pomogłoby to później w praktycznej re−

alizacji układu?

I tu inżynierowie zajmujący się auto−

matyką poprosili o pomoc matematy−

ków.

Matematycy to dziwny naród. Raso−

wy matematyk to oderwany od rzeczy−

wistości teoretyk, któremu w głowie lęg−

ną się jakieś dziwne teorie i który wy−

myśla dziwaczne, nikomu nie potrzebne

liczby (tak!), działania na tych liczbach

i prawa nimi rządzące. Całą radością ma−

tematyka jest to, że wymyślone przez

niego liczby, działania na tych liczbach

i wszystkie związane z tym zależności

dobrze “trzymają się kupy”, czyli tworzą

pewien zwarty system.

Najczęstszym problemem jest jednak

fakt, że całe te piękne i harmonijne zależ−

ności matematyczne... nie są nikomu po−

trzebne w praktyce.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

rysunku 1 znajdziesz przykład reali−

zacji obwodu najprostszego zabezpiecze−

nia w dyspozytorni kolejowej. Powiedz−

my, że dany przekaźnik zadziała, gdy ot−

warty jest wjazd na dany odcinek linii ko−

lejowej. Przekaźniki REL1 i REL2 współ−

pracują z semaforami i zwrotnicami

umieszczonymi z dwóch stron tego sa−

rysunku 1

Układy cyfrowe

Nie zapominaj, iż działanie tych

wszystkich cudów techniki oparte jest na

wykonywaniu ogromnej ilości operacji

matematycznych na liczbach.

I oto od telegrafu i przekaźników prze−

szliśmy do najnowocześniejszych syste−

mów cyfrowej obróbki sygnałów.

Elementarne cegiełki

Co prawda w tym miejscu należałoby

się przyznać, że operacje logiczne i aryt−

metyczne, wrzuciliśmy niejako do tego

samego worka − w ramach naszego przy−

spieszonego kursu możemy jednak po−

zwolić sobie na takie uproszczenie.

Przedstawiona część rozważań miała

ci uświadomić, że działanie wielu współ−

czesnych urządzeń elektronicznych jest

nierozerwalnie związane z matematyką.

Od tego nie da się uciec. Tylko w prost−

szych układach możemy szukać rozwią−

zań kierując się intuicją. Przypuszczam

jednak, że ty nie fascynujesz się mate−

matyką. Być może wyobrażasz sobie, iż

teraz dopiero wpuściłem cię w przysło−

wiowy kanał. Przecież ty nie masz ocho−

ty grzebać się w skomplikowanych ra−

chunkach.

Nie martw się! Nawet zaawansowany

elektronik−hobbysta wcale nie musi być

dobrym matematykiem − przekonasz się,

iż do większości twoich opracowań wy−

starczy znajomość działania układów sca−

lonych z rodzin TTL i CMOS, a tego do−

wiesz się z najbliższych numerów EdW.

W swoich rozwiązaniach będziesz stoso−

wał podejście czysto intuicyjne i nie mu−

sisz znać matematyki.

Ale elektronika rozwija się błyskawicz−

nie i powinieneś mieć przynajmniej ogól−

ne pojęcie o mikroprocesorach i tak zwa−

nych układach PLD. Wykorzystanie tych

skomplikowanych podzespołów nie jest

wcale trudne, ponieważ na nasze wielkie

szczęście w tych dziedzinach, gdzie

w grę wchodzi bardziej zaawansowana

matematyka, opracowano wiele swego

rodzaju sprzętowych i programowych

narzędzi. Dzięki tym narzędziom nawet

niezbyt zaawansowany amator może

z powodzeniem wykorzystać ogromne

możliwości, jakie oferuje współczesna

technika cyfrowa.

Zanim jednak zapoznasz się z mikro−

procesorami i układami PLD, powinieneś

wiedzieć, jak realizuje się wspomniane

operacje matematyczne.

Z funkcjami logicznymi sprawa jest

prostsza, bo tam, niejako naturalnie wy−

stępują dwa “stany” − prawda i fałsz,

które łatwo wyobrazić sobie w bardziej

konkretnej postaci (przekaźnik przyciąga

lub pozostaje w spoczynku; jest napięcie

lub brak napięcia). Gorzej z obliczeniami

arytmetycznymi − jak przedstawić liczby?

Zapewne jest dla ciebie jasne, że uży−

wany przez nas system dziesiętny nie

jest jedynym możliwym systemem licze−

nia. Na pewno słyszałeś o systemie

dwójkowym. Nie będę go omawiał, bo

wyczerpujące informacje znajdziesz

w licznych książkach. Dlaczego jednak

system dwójkowy znalazł tak szerokie

zastosowanie w elektronice? W uprosz−

czeniu można powiedzieć, iż w systemie

dziesiątkowym musimy rozróżnić aż

dziesięć cyfr, a ponadto żeby przeprowa−

dzić dowolnie skomplikowane oblicze−

nia, należy znać tabliczkę mnożenia i tab−

liczkę dodawania, czyli umieć mnożyć

i dodawać liczby z przedziału 0...9 (nie

zdziwiłbym się, jeślibyś do tej pory miał

kłopoty z tabliczką mnożenia).

Tymczasem w systemie dwójkowym,

gdzie liczby składają się z cyfr 0 i 1, rów−

nież można przeprowadzać dowolnie

skomplikowane obliczenia, a wszystko

to przy użyciu tylko dwóch cyfr (0 i 1)!

A jak prosta jest wtedy tabliczka mnoże−

nia i tabliczka dodawania − mają one po

dwie kolumny i dwa rzędy. Oczywiście

w systemie dwójkowym obliczenia są

jakby mniej skomplikowane, i można je

wykonywać przy użyciu różnych, względ−

nie prostych urządzeń.

Nie będę ci tego udowadniał, przyjmij

na wiarę, że dla zrealizowania dowolnych

zależności logicznych czy obliczeń aryt−

metycznych w systemie dwójkowym,

wystarczy mieć do dyspozycji elementar−

ne dwustanowe “cegiełki”? Takie cegieł−

ki nazywają się funktorami logicznymi,

ale my praktykujący elektronicy nazywa−

my je bramkami. Istnieje tylko kilka ty−

pów elementarnych bramek.

Zapewne spotkałeś się już z określe−

niami AND, OR, NAND, NOR.

Bramkami zajmiemy się szczegółowo

trochę później, na razie przejdźmy do ko−

lejnego ważnego zagadnienia.

Metody realizacji

Jeśli zetknąłeś się już z cyfrowymi

układami scalonymi, być może utożsa−

miasz stany logiczne i cyfry systemu

dwójkowego z napięciem: brak napięcia

to stan 0, czyli niski; napięcie bliskie 5V

to stan 1 − wysoki.

Celowo opowiadałem ci przed chwilą

o matematykach − teraz chyba lepiej ro−

zumiesz, że układy logiczne, czy cyfrowe

realizują pewne funkcje matematyczne,

więc nie są nierozłącznie związane

z elektroniką − można je realizować róż−

nymi metodami.

Przykładowo w warunkach grożących

wybuchem lub pożarem, gdzie niedo−

puszczalne jest użycie urządzeń elekt−

rycznych, od dawna stosowano i jeszcze

się stosuje pneumatyczne lub hydraulicz−

ne układy logiczne. W takich systemach

również możemy mówić o dwóch pod−

stawowych stanach: zawór zamknięty

lub otwarty, tłok w cylindrze lub wysu−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Układy cyfrowe

nięty z cylindra, jest ciśnienie lub nie ma

ciśnienia.

Czy jest dla ciebie jasne, iż nawet naj−

nowocześniejszy superkomputer, teore−

tycznie rzecz biorąc, mógłby być zbudo−

wany z przekaźników, bramek lampo−

wych, diodowo−tranzystorowych, a na−

wet pneumatycznych lub hydraulicznych

elementów logicznych? Problem tylko

w ilości potrzebnych bramek.

Oczywiście na miejscu jest pytanie ja−

ką objętość i masę miałby odpowiednik

współczesnego komputera, takiego

z procesorem Pentium, w wersji po−

wiedzmy, hydraulicznej. Jak wprowa−

dzać dane do takiego komputera? Jaką

postać miałyby wyniki?

A ile elektrowni potrzebne byłoby do

zasilania procesora Pentium w wersji

lampowej? (Pamiętaj jednak, że pierw−

sze prawdziwe komputery jakie pojawiły

się w latach 40−tych, zbudowane były na

lampach i pobierały wiele kilowatów mo−

cy.)

Ale jakoś nie widzę entuzjazmu

w Twych oczach na myśl, że funkcje lo−

giczne można realizować na drodze

pneumatycznej, hydraulicznej czy me−

chanicznej. Masz rację: dopiero rozwój

elektroniki umożliwił realizację naprawdę

skomplikowanych układów logicznych

i cyfrowych w tani i relatywnie prosty

sposób.

Stopniowy rozwój

Rozumiesz teraz, że tak naprawdę, uk−

łady logiczne przesyłają i przetwarzają

coś tak niematerialnego i ulotnego jak in−

formacje.

Wiesz już, że do realizacji najbardziej

złożonych układów logicznych wystarczy

odpowiednia ilość elementarnych “ce−

giełek” − bramek.

Pożądane są jednak takie cegiełki, któ−

re potrafiłyby to zrobić pobierając jak naj−

mniej energii i zajmując jak najmniej

miejsca. Ponieważ do skomplikowanych

zadań potrzeba ogromnej ilości takich ce−

giełek, powinny one być bardzo tanie.

Jak Ci mówiłem, na początku podsta−

wowymi elementami realizującymi funk−

cje logiczne były przekaźniki. Przekaźniki

są jednak duże, drogie, pobierają znaczną

moc. Ponadto jako elementy mechanicz−

ne zawierające styki, są dość powolne

i zawodne. Z podobnych względów lam−

py elektronowe także nie są tu dobrym

rozwiązaniem.

Dlatego prawdziwy wyścig w produk−

cji układów logicznych zaczął się po wy−

nalezieniu elementów półprzewodniko−

wych. Z diod i tranzystorów też można

zbudować układy spełniające elementar−

ne funkcje logiczne.

Tak więc najpierw bramki i inne nieco

bardziej złożone elementy logiczne budo−

wano z pojedynczych tranzystorów, rezy−

storów i diod. Były to pudełka o objętości

przynajmniej kilku centymetrów sześ−

ciennych, zalane żywicą, zawierające

wewnątrz kilka, kilkanaście pojedyn−

czych podzespołów. Dla potrzeb przemy−

słu opracowano pewne standardy. Poja−

wiły się układy RTL (młodszym Czytelni−

kom zapewne skojarzy się to z satelitar−

nym programem telewizji Luksemburg),

tymczasem RTL to skrót angielskiej naz−

wy Resistor−Transistor−Logic. Oprócz tej

rezystorowo−tranzystorowej logiki były

też układy diodowo−tranzystorowe: DTL.

Starsi Czytelnicy zapewne z łezką w oku

przypomną sobie rodzinę LOGISTER.

Z czasem opanowano produkcję kilku,

kilkunastu tranzystorów w jednym płatku

półprzewodnika i pojawiły się wreszcie

układy TTL (Transistor−Transistor−Logic).

Więcej informacji na temat TTL znaj−

dziesz w książce “Sztuka Elektroniki”,

którą przedstawiliśmy w EdW 8/96. Ukła−

dy TTL wytwarzano w postaci prawdzi−

wych, monolitycznych układów scalo−

nych i umieszczano w używanych do

dziś, typowych plastikowych obudowach

z dwoma rzędami wyprowadzeń, nazy−

wanych DIL (Dual In Line).

Już w momencie wprowadzenia ukła−

dów TTL, oprócz elementarnych bramek

zaczęto produkować kostki zawierające

urządzenia logiczne złożone z kilku−kilku−

nastu bramek, spełniające bardziej skom−

plikowane funkcje logiczne i arytmetycz−

ne. Pojawiły się scalone przerzutniki, licz−

niki, rejestry, proste pamięci, sumatory

i inne układy arytmetyczne.

Klasyczne układy TTL zbudowane były

z tranzystorów bipolarnych NPN.

Później, wraz z opanowaniem tech−

nologii produkcji tranzystorów polowych,

pojawiły się logiczne “cegiełki” wykona−

ne jako układy scalone zawierające tran−

zystory MOS (Metal Oxide Semiconduc−

tor − polowe z izolowaną bramką).

Szybko opanowano produkcję w jed−

nym płatku krzemu tranzystorów kom−

plementarnych MOS, czyli zarówno tran−

zystorów z kanałem N, jak i z kanałem P.

Pojawiły się wtedy układy logiczne w

wersji CMOS (Complementary MOS).

Z czasem na rynku ostały się tylko uk−

łady logiczne zbudowane w technologii

bipolarnej, oraz w technologii CMOS.

I tak pozostało.

Na czym więc dziś polega wyścig

technologiczny?

Po pierwsze problem w tym, że rze−

czywiste układy, przy wykonywaniu ope−

racji logicznych, czyli matematycznych,

pobierają jakąś moc i zamieniają ją na

ciepło. Póki co, nie potrafimy wykony−

wać operacji matematycznych bez zuży−

wania energii. Wyścig technologiczny

ma na celu między innymi zmniejszenie

ilości mocy, wydzielanej w postaci ciep−

ła. Nie chodzi tu o oszczędność prądu,

ale o nagrzewanie się struktury półprze−

wodnika. Umieszczenie wielu bramek

w jednym układzie scalonym powoduje

wydzielanie znacznych ilości ciepła. Tym−

czasem awaryjność przyrządów półprze−

wodnikowych gwałtownie rośnie ze

wzrostem temperatury, i w praktyce ele−

menty krzemowe nie powinny pracować

w temperaturze powyżej +150oC. Ilość

wydzielanego ciepła ogranicza więc licz−

bę bramek, które teoretycznie można

upakować w jednym układzie scalonym.

Gdy jednak pojedyncza bramka pobie−

ra i rozprasza niewiele energii, możliwe

jest zbudowanie układów scalonych skła−

dających się z ogromnej ilości bramek.

I tu doszliśmy do drugiej przyczyny

nieustannego wyścigu technologiczne−

go: pojedyncza bramka to naprawdę ma−

ła “cegiełka” i żeby zrealizować bardziej

złożone układy i zależności logiczne po−

trzebne są tysiące, a nawet miliony bra−

mek. Z wielu względów nie opłaci się bu−

dować skomplikowanych urządzeń

z układów scalonych zawierających poje−

dyncze bramki. Powstają więc coraz bar−

dziej złożone układy scalone, składające

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Układy cyfrowe

się z milionów tranzystorów czyli setek

tysięcy bramek.

Pierwsze proste układy zawierające

kilka...kilkadziesiąt bramek nazywa się

układami o małej skali integracji (ang.

SSI). Z czasem postęp technologiczny

umożliwił produkcję układów zawierają−

cych w jednej strukturze kilkaset bramek

− układów o średniej skali integracji (ang.

MSI). Dziś produkuje się powszechnie

kostki zawierające tysiące, a nawet dzie−

siątki tysięcy bramek − mówimy tu o du−

żej i bardzo dużej skali integracji (ang LSI

i VLSI). Tymi skrótami informującymi

o stopniu złożoności układu scalonego

(SSI...VLSI) epatują Cię autorzy niektó−

rych podręczników − dla Ciebie skróty te

nie mają dosłownie żadnego znaczenia

praktycznego. Nie obciążaj sobie tym

głowy. Dziś zdarza się, że mikroprocesor

o wielkiej skali integracji (LSI lub VLSI),

kupisz taniej niż kostkę zawierającą kilka

bramek (SSI).

Dwie drogi

Wiesz już, że układ logiczny przetwa−

rza sygnały, czyli w sumie informację.

Jakieś sygnały podawane są na wejścia,

a po ich przetworzeniu pojawiają się od−

powiednie stany na wyjściach. Jeszcze

raz wyobraź sobie dyspozytornię węzła

kolejowego. System logiczny dyspozy−

torni musi przyjąć sygnały informujące

o stanie zwrotnic i semaforów, przetwo−

rzyć je, zapalić odpowiednie lampki syg−

nalizacyjne i ewentualnie włączyć dzwo−

nek alarmowy.

Można to zrealizować przy użyciu

przekaźników. Można też zbudować

układ elektroniczny składający się na

przykład z pojedynczych bramek TTL.

Pomyśl jednak, że nie ma dwóch iden−

tycznych węzłów kolejowych, więc

w każdej dyspozytorni musiałaby praco−

wać system o indywidualnie dobranych

funkcjach. Co prawda są elementy

wspólne − rodzaj sygnałów wejściowych

i wyjściowych, jednak niewątpliwie speł−

niane funkcje logiczne muszą być w każ−

dym przypadku inne.

Czy jednak nie można wymyślić spo−

sobu, żeby układ sterujący dyspozytorni

był budowany jednakowo dla wszystkich

węzłów kolejowych i potem tylko dosto−

sowywany do lokalnych warunków? By−

łoby to bardzo pożądane, choćby ze

względów ekonomicznych i serwiso−

wych.

I właśnie tu mamy dwie główne moż−

liwości: sposób programowy i sposób

sprzętowy.

Sposób programowy

Zamiast budować sieć bramek speł−

niających indywidualnie określone zada−

nia, można postawione zadania rozwią−

zać w sposób programowy.

Mikroprocesor to nic innego jak bar−

dzo skomplikowany układ cyfrowy reali−

zujący jakieś funkcje logiczne. Każdy mik−

roprocesor może jednak realizować naj−

różniejsze zadania, ponieważ o jego pra−

cy decyduje program, umieszczony

w pamięci. Czy śledzisz na łamach EdW

informacje dotyczące mikroprocesorów?

W takim razie nie będę ci tłumaczył

szczegółów.

Wykorzystując mikroprocesor, pa−

mięć i pewną ilość układów pomocni−

czych, można zbudować system, który

mógłby obsłużyć dyspozytornię dowol−

nego węzła kolejowego.

Takie programowe rozwiązanie ma

ogromne zalety, bowiem w przypadku

zmian, związanych np. z rozbudową węz−

ła, wystarczy tylko zmodyfikować pro−

gram, nie trzeba natomiast przebudowy−

wać całego systemu.

Przez lata mikroprocesory ze względu

na swą elastyczność i możliwość zmiany

programów, czyli spełnianych funkcji,

wydawały się niezastąpione w syste−

mach automatyki, sterowania, itp. Ale

ostatnio, w związku z postępami techno−

logii, do łask wracają sposoby sprzęto−

we. Czy słyszałeś o układach PLD?

Układy PLD

W wielu przypadkach potrzebne są

skomplikowane systemy logiczne prze−

znaczone do specyficznych zastosowań

do których budowy należałoby użyć kilku−

dziesięciu, kilkuset, czy nawet tysięcy

bramek. Systemy takie zawsze można

zbudować z pojedynczych bramek, ale

jest to sposób drogi i dość zawodny.

Jest też inna możliwość: od lat znane fir−

my produkujące układy cyfrowe wykonu−

ją złożone systemy logiczne na zamówie−

nie klienta. Problem w tym, że klient mu−

siał zamówić co najmniej kilka tysięcy,

a nawet kilkadziesiąt tysięcy takich ukła−

dów, żeby cała zabawa była opłacalna.

Z czasem opracowano układy scalo−

ne, zawierające standardowe struktury

logiczne w dobrze przemyślanej konfigu−

racji, które klient może zaprogramować

u siebie na biurku. Programowanie pole−

ga tym razem na wykonaniu lub przerwa−

niu odpowiednich połączeń dla uzyskania

potrzebnych funkcji.

Ogólnie biorąc, układy tego typu

określa się mianem PLD (Programmable

Logic Devices).

Programowanie tych układów nie ma

nic wspólnego z programowaniem mik−

roprocesora − ustala się tu po prostu sieć

połączeń między poszczególnymi bram−

kami, przerzutnikami itp.

Najwcześniej, bo w drugiej połowie

lat 70−tych pojawiły się układy typu PAL

(Programmable Array Logic). Ich progra−

mowanie polegało na przerwaniu połą−

czeń (takich miniaturowych bezpieczni−

ków) pomiędzy poszczególnymi bramka−

mi czy przerzutnikami zawartymi

w strukturze układu. Pamiętasz zapewne

z cyklu “Mikroprocesor − a co to takie−

go?”, że przypomina to programowanie

pamięci PROM.

Dużym postępem w tej dziedzine było

wprowadzenie układów programowal−

nych, wykonanych w technologii CMOS.

Jak zapewne się domyśliłeś, układy takie

mogą być elektrycznie programowane

i kasowane wielokrotnie, podobnie jak

pamięć EPROM czy EEPROM. Obecnie

na rynku dostępnych jest wiele typów ta−

kich układów, o różnych możliwościach.

Jednak największą popularnością cieszą

się stosunkowo proste, tanie, a mimo

wszystko mające znaczne możliwości,

elektrycznie programowane i kasowane

układy GAL16V8 i GAL20V8. Do tego te−

matu zapewne jeszcze nie raz na łamach

EdW powrócimy.

Nie pomyl się jednak − układy PLD nie

są pamięciami − jest to zespół podstawo−

wych bramek i przerzutników, który mo−

że być skonfigurowany w różnorodny

sposób.

Układów takich nie programuje się

ręcznie − wykorzystuje się do tego kom−

puter i odpowiedni program. Choć może

nie rozumiesz jeszcze szczegółów działa−

nia układów PLD, przyjmij do wiadomoś−

ci, iż przy ich programowaniu wykorzys−

tuje się wspomniane wcześniej prawa

i zasady matematyczne. Na szczęście

nie musi tego robić użytkownik, czarną

robotę wykonuje program komputero−

wy.

Podsumowanie

W dzisiejszym pierwszym odcinku

prześledziłeś historię układów logicz−

nych, nazywanych też cyfrowymi.

Rozumiesz, że realizują one pewne

funkcje matematyczne.

Wiesz, że występują tam tylko dwa

stany: 1 i 0 (prawda, fałsz; wysoki, niski).

Dowiedziałeś się, że ta cała fantas−

tycznie rozbudowana technika cyfrowa

tak naprawdę opiera się na kilku podsta−

wowych bramkach.

Wiesz, że dana funkcja logiczna może

być zrealizowana różnymi metodami.

Spośród różnorodnych realizacji układów

logicznych, my jako elektronicy, najbar−

dziej będziemy interesować się cyfrowy−

mi układami scalonymi.

W następnych odcinkach zapoznam

cię z bramkami, przerzutnikami, licznika−

mi, rejestrami i innymi podstawowymi

składnikami układów cyfrowych. Prześle−

dzimy też wspólnie, jak poszczególne

technologie produkcji wpływają na właś−

ciwości układów logicznych.

Piotr Górecki

Małgorzata Zackiewicz

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Piotr Górecki

rysunki Małgorzata Zackiewicz

Piotr Górecki

Pierwsze kroki w cyfrówce – wstęp.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: