В данной лекции рассматривается архитектура ввода-вывода встроенных систем.

1. Учебный курс
Встроенные системы и
микроконтроллеры
Кафедра прикладной информатики
Тема 2. Цифровой логический уровень

2. 2
Логические элементы — устройства, предназначенные
для обработки информации в цифровой форме
(последовательности сигналов высокого — «1» и низкого —
«0» уровней в двоичной логике, последовательность "0", "1" и
"2" в троичной логике, последовательности "0", "1", "2", "3",
"4", "5", "6", "7", "8"и "9" в десятичной логике). Физически
логические элементы могут быть выполнены механическими,
электромеханическими (на электромагнитных реле),
электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими,
гидравлическими, оптическими и др.
С развитием электротехники от механических логических
элементов перешли к электромеханическим логическим
элементам (на электромагнитных реле), а затем к электронным
логическим элементам на электронных лампах, позже - на
транзисторах.
Вентили и булева алгебра

3. 3
Логи́ческий ве́нтиль – базовый элемент цифровой схемы,
выполняющий элементарную логическую операцию,
преобразуя таким образом множество входных логических
сигналов в выходной логический сигнал. Логика работы
вентиля основана на битовых операциях с входными
цифровыми сигналами в качестве операндов. При создании
цифровой схемы вентили соединяют между собой, при этом
выход используемого вентиля должен быть подключён к
одному или к нескольким входам других вентилей. Вентили
лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строятся
все цифровые компьютеры.
Вентили и булева алгебра

4. 4
Транзисторный инвертор (а); вентиль НЕ И (б);
вентиль НЕ ИЛИ (в)
Вентили и булева алгебра

5. 5
Значки для изображения пяти основных вентилей. Режимы
работы функции для каждого вентиля
Вентили и булева алгебра

6. 6
Инвертор, НЕ Повторитель
(буфер,) ДА
Операция И.
Функция
min(A,B)
Операция
ИЛИ. Функция
max(A,B)
Операция И-НЕ
(штрих
Шеффера)
Операция 2ИЛИ-
НЕ (стрелка
Пирса)
Вентили и булева алгебра

7. 7
Эквивалентность
(равнозначность),
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ_ИЛИ-НЕ
Сложение по модулю 2
(Исключающее_ИЛИ,
неравнозначность).
Инверсия равнозначности.
Вентили и булева алгебра

8. 8
Конструирование вентилей НЕ (а), И (б) и ИЛИ (в) только на
базе вентиля НЕ-И или НЕ-ИЛИ
Булева алгебра. Реализация булевых
функций

9. 9
Две эквивалентные функции: АВ + АС (а); А(В + С) (б)
Эквивалентность схем

10. 10
Некоторые соотношения булевой алгебры
Соотношение И ИЛИ
Соотношение тождества 1A = A 0+А =А
Соотношение нуля 0А = 0 1 +А= 1
Соотношение идемпотентности АА=А А +А =А
Соотношение инверсии А A = 0 А+ A = 1
Соотношение коммутативности АВ = ВА А+В=В+А
Ассоциативное соотношение (АВ)С = А(ВС) (А + В) + С = А + (В +
С)Дистрибутивное соотношение А + ВС = {А + В)(А + С) А(В + С)=АВ+АС
Соотношение поглощения А(А + В)=А А + АВ = А
Соотношение Де Моргана AB = A + B A + B = AB
Эквивалентность схем

11. 11
Альтернативные представления некоторых вентилей:
НЕ-И (а); НЕ-ИЛИ (б); И (в); ИЛИ (г)
Эквивалентность схем

12. 12
Таблица истинности для функции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (а).
Три схемы для вычисления этой функции (б), (в), (г)
Эквивалентность схем

13. 13
Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ.
integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочи́п (англ.
microchip, silicon chip, chip — тонкая пластинка —
первоначально термин относился к пластинке кристалла
микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная
схема произвольной сложности, изготовленная на
полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в
неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в
состав микросборки.
На сегодняшний день большая часть микросхем
изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.
Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно
кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой
(МС, чипом) — ИС, заключённую в корпус. В то же время
выражение чип-компоненты означает «компоненты для
поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для
пайки в отверстия на плате).
Интегральные схемы
Основные цифровые логические схемы

14. 14
Современные интегральные микросхемы, предназначенные
для поверхностного монтажа (слева).
Советские и зарубежные цифровые микросхемы (справа)
Основные цифровые логические схемы
Интегральные схемы

15. 15
В зависимости от степени интеграции применяются
следующие названия интегральных схем. Эта классификация,
конечно, очень грубая, но иногда она может быть полезна:
 малая интегральная схема (МИС) – до 100 элементов в
кристалле;
 средняя интегральная схема (СИС) – до 1 000 элементов в
кристалле;
 большая интегральная схема (БИС) – до 10 000 элементов
в кристалле;
 сверхбольшая интегральная схема (СБИС) – более 10 000
элементов в кристалле.
Основные цифровые логические схемы
Интегральные схемы

16. 16
МИС из четырех вентилей.
Основные цифровые логические схемы
Интегральные схемы

17. 17
Mультиплексор - устройство, имеющее несколько
сигнальных входов, один или более управляющих входов и
один выход. Мультиплексор позволяет передать сигнал с
одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа
осуществляется подачей соответствующей комбинации
управляющих сигналов.
Устройство, противоположное мультиплексору по своей
функции, называется демультиплексором. В случае
применения аналоговых мультиплексоров (с применением
ключей на полевых транзисторах) не существует различия
между мультиплексором и демультиплексором и такие
устройства могут называться коммутаторами
Основные цифровые логические схемы
Комбинаторные схемы. Мультиплексоры

18. 18
Мультиплексор, построенный на СИС (а); тот же
мультиплексор, смонтированный для вычисления функции
большинства (б)
Комбинаторные схемы. Мультиплексоры
Основные цифровые логические схемы

19. 19
Использование
Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты,
триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др.
Мультиплексоры часто используют для преобразования
параллельного двоичного кода в последовательный. Для
такого преобразования достаточно подать на информационные
входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы
на адресные входы подавать в такой последовательности,
чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с
первого и заканчивая последним.
Основные цифровые логические схемы
Комбинаторные схемы. Мультиплексоры

20. 20
Дешифраторы. Это комбинационные схемы с несколькими
входами и выходами, преобразующие код, подаваемый на
входы в сигнал на одном из выходов. На выходе дешифратора
появляется логическая единица, на остальных — логические
нули.
Шифратор выполняет функцию, обратную декодеру
(дешифратору), то есть преобразует непозиционный
(унитарный) двоичный 2n разрядный код в n разрядный
позиционный код. При подаче на один из входов единичного
сигнала на выходе формируется соответствующий двоичный
код.
Основные цифровые логические схемы
Комбинаторные схемы. Шифраторы (кодеры)

21. 21
Компаратор сравнивает два слова, которые поступают на
вход
Простой 4-разрядный компаратор
Основные цифровые логические схемы
Комбинаторные схемы. Компараторы

22. 22
Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма
(ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный
компонент, используемый для создания цифровых
интегральных схем. В отличие от обычных цифровых
микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при
изготовлении, а задаётся посредством программирования
(проектирования). Для программирования используются
программаторы и отладочные среды, позволяющие задать
желаемую структуру цифрового устройства в виде
принципиальной электрической схемы или программы на
специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL,
AHDL и др.
Основные цифровые логические схемы
Комбинаторные схемы. Программируемые логические матрицы

23. 23
CPLD ПЛИС Altera MAX 7128, эквивалентная 2500 вентилям
Основные цифровые логические схемы
Комбинаторные схемы. Программируемые логические матрицы

24. 24
Схема сдвига
Основные цифровые логические схемы
Арифметические схемы. Схемы сдвига.

25. 25
Таблица истинности для сложения одноразрядных чисел (а);
схема полусумматора (б)
Основные цифровые логические схемы
Арифметические схемы. Сумматоры.