Basics of digital design. Main definitions and notations.

1. Учебный курс
Цифровая схемотехника
Лекция 1
Базовые понятия цифровой
схемотехники

2. 2
Содержание курса
 Общие представления о принципах построения и
функционирования цифровых устройств;
 Основные понятия, термины, определения;
 Логика работы базовых элементов цифровых устройств;
 Способы взаимодействия элементов, узлов, устройств;
 Элементная база современных цифровых устройств. ПЛИС;
 Методы и инструменты проектирования цифровых устройств;
 Языки описания аппаратуры (Hardware Description Language)
VHDL, Verilog. Инструментальные средства проектирования
цифровых устройств ModelSim, Quartus Prime.

3. 3
Задачи курса
 Освоение базовой терминологии цифровой техники;
 Осознание преимуществ цифровых устройств;
 Понимание процессов, происходящих в цифровых
устройствах;
 Понимание, от чего зависят основные характеристики
цифрового устройства, и как их улучшить;
 Уяснение ограничений и недостатков цифровых устройств;
 Знакомство с промышленными методами и инструментами
проектирования и реализации цифровых устройств на базе
ПЛИС.

4. 4
Базовые определения
 Сигнал — любая физическая величина (температура, давление
воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со
временем.
 Электрический сигнал — электрическая величина (например,
напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем.
 Аналоговый сигнал — может принимать любые значения в
определенных пределах. Устройства, работающие с аналоговыми
сигналами, — аналоговые устройства. Аналоговый сигнал
изменяется аналогично физической величине, т. е. непрерывно.
 Цифровой сигнал — может принимать только два значения. Причём
разрешены некоторые отклонения от этих значений Устройства,
работающие с цифровыми сигналами, — цифровые устройства.

5. 5
Аналоговый и цифровой сигналы

6. 6
Электронное устройство

7. 7
Причины искажений сигналов
 Несовершенство характеристик элементов аппаратуры;
 Шумы (слабые хаотические сигналы, вырабатываемые любым
электронным компонентом);
 Наводки, помехи (сигналы, вызываемые внешними
электромагнитными полями — радиопередача, трансформаторы,
взаимовлияние цепей и т.д.);
 Старение элементов — изменение характеристик со временем;
 Внешние физические воздействия: температура, влажность,
давление, вибрация и т.д.
 Паразитные эффекты (утечки, ёмкости, индуктивности,
сопротивления).

8. 8
Искажения сигналов шумами и наводками

9. 9
Преимущества цифровых сигналов
 Более сложная и многоступенчатая обработка, чем в случае
аналоговых сигналов;
 Длительное хранение без потерь с возможностью
многократного копирования без искажений;
 Качественная передача на большие расстояния без
искажений;
 Цифровые устройства проще отлаживать, они меньше
подвержены старению;
 Поведение цифровых устройств всегда можно точно
рассчитать и предсказать;
 Цифровые устройства проще проектировать, отлаживать,
тестировать.

10. 10
Недостатки цифровых сигналов
 Принципиально меньшее предельное быстродействие
цифровых устройств по сравнению с аналоговыми;
 Информационная ёмкость цифрового сигнала гораздо
меньше, чем аналогового, поэтому для замены одного
аналогового сигнала требуется несколько цифровых сигналов
(от 4 до16) — код;
 Для связи с реальным миром требуются преобразователи
аналоговых сигналов в цифровые (на входе, АЦП) и
цифровых сигналов в аналоговые (на выходе, ЦАП);
 При простом алгоритме обработки цифровые устройства
гораздо сложнее аналоговых.

11. 11
Включение цифрового устройства

12. Для оцифровки звука используются специальные устройства: аналого-
цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП).

13. 13
Виды цифровых сигналов
 Одиночные цифровые сигналы:
 Разрешающие/запрещающие сигналы;
 Сигнализирующие сигналы (флаги);
 Синхронизирующие сигналы (определяющие момент
времени выполнения операции).
 Сгруппированные (шинные) цифровые сигналы (коды):
 Коды выборок аналоговых сигналов;
 Коды адресации устройств (выбора нужного устройства);
 Коды команд (инструкций);
 Коды данных.

14. 14
Уровни представления цифровых устройств
Все цифровые устройства строятся из логических микросхем,
каждая из которых обязательно имеет следующие выводы:
 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.

15. 15
Типы логики
 Положительная логика — логической единице
соответствует высокий уровень напряжения, логическому
нулю — низкий уровень напряжения;
 Отрицательная логика — логической единице соответствует
низкий уровень напряжения, логическому нулю — высокий
уровень напряжения.
Типы логики относятся к шинам (кодам). Одиночные сигналы
(импульсы) называются положительными (единичными) или
отрицательными (нулевыми).

16. 16
Элементы цифрового сигнала

17. 17
Модели представления цифровых
устройств
В подавляющем большинстве случаев для разработчика
цифровых схем достаточно трех моделей, трех уровней
представления о работе цифровых устройств:
 Логическая модель.
 Модель с временными задержками.
 Модель с учетом электрических эффектов (или
электрическая модель).

18. 18
Таблица истинности
инвертора
Логическая модель
На первом, логическом уровне цифровые
устройства описываются:
 таблицей истинности (для простых микросхем);
 описанием алгоритма ее работы (для более
сложных микросхем).
Вход Выход
0 1
1 0

19. 19
Модель с временными задержками
Ко второму уровню представления относятся величины задержек логических
сигналов между входами и выходами.
Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 нс = 10-9 с ) до
десятков наносекунд.
В справочниках всегда указывается максимальное значение.
Задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль ( tPHL ), как правило,
отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу ( tPLH ). Здесь
английская буква P означает Propagation (распространение), L означает Low (низкий
уровень сигнала, нуль), а H — High (высокий уровень сигнала, единица).
Суммирование
задержек
элементов

20. 20
Модель с учетом электрических эффектов
Суммирование
входных токов
элементов
Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных
напряжений относятся к третьему уровню представления.

21. 21
Справочные параметры микросхем
 Порог срабатывания — уровень входного напряжения, выше которого сигнал
воспринимается как единица, а ниже — как нуль. Для наиболее распространенных
ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) микросхем он примерно равен 1,3...1,4 В.
 Помехозащищенность — характеризует величину входного сигнала помехи,
накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние
выходных сигналов. Помехозащищенность определяется разницей между
напряжением UIH и порогом срабатывания (это помехозащищенность единичного
уровня), а также разницей между порогом срабатывания и UIL (это
помехозащищенность нулевого уровня).
 Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть подключено к
данному выходу без нарушения работы. 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.

22. 22
Входы и выходы цифровых микросхем
Наиболее распространенные технологии цифровых микросхем:
 ТТЛ (TTL) и ТТЛШ (TTLS) — биполярная транзисторно-транзисторная логика
и ТТЛ с диодами Шоттки;
 КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой "металл–
окисел–полупроводник".
Входной и выходной
каскады микросхем ТТЛШ
Входной и выходной
каскады микросхем
КМОП

23. 23
Типы выходов цифровых микросхем
Виды выходных каскадов:
• стандартный выход или выход с двумя состояниями (обозначается
2С, 2S или, реже, ТТЛ, TTL);
• выход с открытым коллектором (обозначается ОК, OC);
• выход с тремя состояниями или (что то же самое) с возможностью
отключения (обозначается 3С, 3S).

24. 24
Объединение выходов цифровых микросхем

25. 25
Организация связей
Классическая
организация
связей

26. 26
Организация связей
Классическая организация связей
При классической организации связей все сигналы между устройствами
передаются по своим отдельным линиям (проводам). Каждое устройство
передает свои сигналы всем другим независимо от других устройств.
В этом случае обычно получается очень много линий связи, к тому же правила
обмена сигналами по этим линиям (или протоколы обмена) чрезвычайно
разнообразны.

27. 27
Организация связей
Шинная организация связей
Группа линий (сигналов), используемая несколькими устройствами, как раз и
называется шиной.
При шинной организации связей все сигналы между устройствами передаются
по одним и тем же линиям (проводам), но в разные моменты времени (это
называется временным мультиплексированием). В результате количество линий
связи резко сокращается, а правила обмена сигналами существенно
упрощаются.