Číslicové systémy

autor Brtník Bohumil

vydání 1. české

       Popis

V devíti kapitolách je pojednáno o základních kombinačních a sekvenčních obvodech jakož i o základech programovatelných logických polí.

V první kapitole jsou uvedeny základní logické funkce, jsou ukázány způsoby vyjadřování a zjednodušování logických funkcí.

Druhá kapitola pojednává o technologiích, jimiž se realizují základní kombinační obvody.

Ve třetí kapitole jsou uvedeny základní sekvenční obvody tj. klopné obvody s jejich popisem a odvozením jejich rovnic, posuvné registry a čítače. Zmíněna je základní problematika hazardů.

Čtvrtá kapitola pojednává o pamětech. Jsou uvedeny principy pamětí ROM i RAM statických i dynamických, jakož i paměti elektricky mazatelné. Je ukázán princip pamětí sériových.

Pátá kapitola pojednává o programovatelných obvodech zejména typu GAL. Po struktuře obvodu GAL jsou uvedeny základní možnosti jejich programování, které jsou ilustrovány řešeným příkladem. Jsou uvedeny i principy dalších typů, a to obvodů CPLD a FPGA.

V další kapitole jsou uvedeny další technologie číslicových obvodů a přehled jejich základních vlastností.

V závěrečných třech kapitolách je podán úvod do obecné syntézy číslicových obvodů a uveden Mealyho a Moorův automat, stručně jsou naznačeny základy jazyka VHDL a je pojednáno o přizpůsobování úrovní logických obvodů základních technologií k pro ně nestandardním napětím.

V dodatcích je pak uveden přehled základních číselných soustav a ukázán princip jejich vzájemného převodu.

         Stručný obsah

Logické funkce

Obvody pro realizaci logických funkcí

Sekvenční obvody

Paměti

Programovatelné logické obvody

Další technologie číslicových obvodů

Obecná teorie syntézy číslicových obvodů

Základy jazyka VHDL

Přizpůsobování úrovní

         Obsah:

1 Logické funkce................................................................................................................................- 5 -

1.1 Základní axiomy Booleovy algebry..........................................................................................- 6 -

1.2 Univerzální funkce....................................................................................................................- 9 -

1.2.1 Negovaný logický součet ( NOR, Piercova funkce ).........................................................- 9 -

1.2.2 Negovaný logický součin ( NAND, Shefferova funkce ) ..................................................- 9 -

1.3 Vyjadřování logických funkcí.................................................................................................- 10 -

1.3.1 Pravdivostní (funkční) tabulkou ......................................................................................- 10 -

1.3.2 Stavovým indexem..........................................................................................................- 10 -

1.3.3 Logickými výrazy............................................................................................................- 10 -

1.3.4 Vennovým diagramem.....................................................................................................- 10 -

1.3.5 Jednotkovou krychlí.........................................................................................................- 11 -

1.3.6 Karnaughovou mapou......................................................................................................- 11 -

1.3.7 Svobodovou mapou .........................................................................................................- 12 -

1.3.8 Veithovou mapou.............................................................................................................- 12 -

1.3.9 Impulsy ............................................................................................................................- 13 -

1.4 Zjednodušování logických výrazů ..........................................................................................- 13 -

1.4.1 Užitím axiomů Booleovy algebry....................................................................................- 13 -

1.4.2 Karnaughovou mapou......................................................................................................- 15 -

1.4.3 Minimalizace metodou Quine-McClusskey ....................................................................- 17 -

1.5 Bezpečnostní kódy ..................................................................................................................- 20 -

1.6 Paritní zabezpečení .................................................................................................................- 22 -

1.7 Zabezpečení cyklickým redundantním kódem........................................................................- 22 -

2. Obvody pro realizaci logických funkcí .........................................................................................- 25 -

2.1 Diodovětranzistorová logika (DTL)........................................................................................- 25 -

2.2 Rezistorovětranzistorová logika (RTL )..................................................................................- 27 -

2.3 Tranzistorovětranzistorová logika ( TTL )..............................................................................- 28 -

2.3.1 Vyráběné řady..................................................................................................................- 33 -

2.4 Unipolární logické obvody......................................................................................................- 35 -

2.4.1 Unipolární obvody HMOS ..............................................................................................- 35 -

2.4.2 Unipolární obvody s komplementárními tranzistory CMOS...........................................- 36 -

2.4.3 Vyráběné řady..................................................................................................................- 40 -

2.5 Porovnání parametrů obvodů TTL a CMOS...........................................................................- 40 -

2.6 Stupně integrace...................................................................................................................... 42 -

2.7 Jednoduché kombinační obvody.............................................................................................- 43 -

2.8 Slučitelnost různých technologií logických obvodů ...............................................................- 43 -

3. Sekvenční obvody .........................................................................................................................- 45 -

3.1 Klopný obvod R-S ..................................................................................................................- 46 -

3.2 Klopný obvod R-S-T...............................................................................................................- 47 -

3.3 Klopný obvod D......................................................................................................................- 47 -

3.4 Dvojitý klopný obvod R-S-T ..................................................................................................- 49 -

3.5 Dvojitý klopný obvod J-K.......................................................................................................- 50 -

3.6 Klopný obvod D řízený změnou stavu ( hranou ) ...................................................................- 52 -

3.7 Posuvný registr........................................................................................................................ 54 -

3.8 Tabulky přechodů a rovnice sekvenčních obvodů ..................................................................- 59 -

3.8.1 Rovnice RS obvodu .........................................................................................................- 59 -

3.8.2 Rovnice JK obvodu..........................................................................................................- 60 -

3.9 Čítače .....................................................................................................................................- 61 -

3.9.1 Asynchronní čítač ............................................................................................................- 61 -

3.9.2 Synchronní čítač ..............................................................................................................- 68 -

3.9.3 Obousměrné (neboli vratné) čítače..................................................................................- 71 -

3.10 Obecná struktura sekvenčního zařízení.................................................................................- 77 -

3.11 Syntéza sekvenčních obvodů pomocí tabulek přechodů.......................................................- 78 -

- 4 -

3.12 Hazardy................................................................................................................................- 82 -

3.12.1 Analýza hazardů ............................................................................................................- 83 -

4. Paměti...........................................................................................................................................- 85 -

4.1 Paměti ROM...........................................................................................................................- 85 -

4.2 Paměti PROM.........................................................................................................................- 87 -

4.3 Statické paměti RAM ( SRAM ).............................................................................................- 88 -

4.4 Dynamické paměti RAM ( DRAM ).......................................................................................- 92 -

4.5 Elektricky programovatelné paměti ........................................................................................- 94 -

4.6 Elektricky programovatelné i elektricky mazatelné paměti....................................................- 97 -

4.7 Sériové paměti......................................................................................................................... 99 -

5. Programovatelné logické obvody................................................................................................- 101 -

5.1 Obvody GAL.........................................................................................................................- 107 -

5.2 Programování obvodů GAL..................................................................................................- 111 -

5.3 Programovací prostředí .........................................................................................................- 114 -

5.3.1 Programování v textovém editoru OPAL Jr. .................................................................- 114 -

5.3.2 Programování ve schématickém editoru ispLEVER Classic.........................................- 120 -

5.3.3 Vlastní programování obvodů GAL ..............................................................................- 125 -

5.4 Příklad tvorby programu .......................................................................................................- 131 -

5.5 Další obvody GAL................................................................................................................- 134 -

5.6 Obvody typu CPLD ..............................................................................................................- 135 -

5.7 Obvody FPGA.......................................................................................................................- 137 -

6. Další technologie číslicových obvodů.........................................................................................- 140 -

6.1 Technologie ECL..................................................................................................................- 140 -

6.2 Technologie IIL ( I2L )..........................................................................................................- 143 -

6.3 Technologie CTL..................................................................................................................- 144 -

7.Obecná teorie syntézy číslicových obvodů ..................................................................................- 146 -

7.1 Formální popis kombinačního obvodu .............................................................................- 146 -

7.2 Formální popis sekvenčního obvodu ....................................................................................- 146 -

7.3 Popis automatů......................................................................................................................- 147 -

7.3.1 Tabulka přechodů ..........................................................................................................- 147 -

7.3.2 Graf přechodů ................................................................................................................- 149 -

7.3.3 Matice přechodů ............................................................................................................- 151 -

8. Základy jazyka VHDL ................................................................................................................- 152 -

8.1 Knihovní balík std_logic_1164............................................................................................- 153 -

8.2 Knihovní balík numeric_std..................................................................................................- 153 -

8.3 Entity....................................................................................................................................- 153 -

8.4 Sekvenční příkazy.................................................................................................................- 154 -

9 Přizpůsobování úrovní..................................................................................................................- 158 -

9.1 Vstupní přizpůsobovací obvody............................................................................................- 158 -

9.2 Přizpůsobení úrovní sběrnice RS-232 na TTL technologii...................................................- 159 -

9.3 Přizpůsobení úrovní na výstupu............................................................................................- 160 -

9.4 Ošetření zákmitů ...................................................................................................................- 161 -

Dodatky ..........................................................................................................................................- 163 -

Přehled číselných soustav ...........................................................................................................- 163 -

Reprezentace celých čísel ve dvojkové soustavě ........................................................................- 163 -

Reprezentace reálných čísel ve dvojkové soustavě.....................................................................- 164 -

Princip převodů mezi číselnými soustavami...............................................................................- 165 -

Porovnání čísel vyjádřených v různých číselných soustavách....................................................- 167 -

Literatura ........................................................................................................................................- 169 -