Основы цифровой электроники лекции

Цифровые микросхемы

В 50-х годах устройства цифровой электроникиизготавливались на лампах и реле. Каждый функциональный узел (группа элементов, выполняющая определенную функцию и конструктивно объединенная в сборочную единицу) такого устройства состоял из определенного числа активных элементов (радиоламп) и пассивных (резисторов, конденсаторов, реле и т.д.). Так называемые ЭВМ первого поколения, основанные на этих устройствах, занимали огромные площади, потребляли большие мощности, имели низкую надежность и малое быстродействие.

Основы цифровой электроники. Логические элементы

Логические элементы НЕ Буферные элементы Логические элементы И-НЕ, И,ИЛИ-НЕ, ИЛИ , И-ИЛИ-НЕ Расширители по ИЛИ Прочие логические элементы

Основы цифровой электроники. Триггеры

Триггер-элемент один, состояний два; Разные типы триггеров

Основы цифровой электроники. Счетчики

Как работают счетчики; Простые самоделки с использованием счетчиков и триггеров

Шифраторы, дешифраторы и мультиплексоры

Переключатели без контактов; Простые схемы электронные кубики ;цифровое реле времени; электронный таймер

Основы цифровой электроники. Регистры

Сдвиговые, параллельные и реверсивные регистры; Регистры специального назначения

Сумматоры

Комбинационные и накопительный сумматоры; Устройство сравнения двух многоразрядных чисел; Перемножающее устройство на основе сумматора; Умножитель двух чисел на ИМС

Арифметико-логические устройства (АЛУ)

Основы цифровой электроники. Мультивибраторы

Микросхемы логических элементов ТТЛ, КМДП (КМОП)


В цифровой электронике информацию можно передать в виде изменяющихся электрических сигналов. Бывают два вида сигналов — аналоговые и цифроовые

Все цифровые сигналы имеют только два значения — минимальное (близкое к нулю) или максимальное значение напряжения или силы тока.

При обработке цифровых сигналов требуется различать всего два состояния, поэтому эти сигналы гораздо легче описать математически: есть напряжение (ток) —1, нет — 0. Для анализа математической последовательности цифровых сигналов используют двоичные коды.

Основы цифровой электроники.  Фундамент - двоичная система счисления, а для выдачи информации в компьютеры— шестнадцатеричная. Почему используются именно эти системы, мы расскажем позже, а пока научимся переводить числа из одной системы в другую и производить над ними арифметические действия.

Шестнадцатиричная система счисления

Как уже говорилось, для записи чисел в двоичной системе используются два символа: цифры 0 и 1. Следовательно, в каждом разряде двоичного числа могут быть записаны либо 1, либо 0. В двоичном числе вес каждого последующего (по старшинству) разряда увеличивается относительно предыдущего в два раза. Так, в двоичном числе 1011011 единица в нулевом разряде эквивалентна десятичному числу «один». В первом разряде единица эквивалентна десятичному числу «два», в третьем — «восемь», четвертом — «шестнадцать» и т. д. Иначе говоря, десятичный эквивалент единицы какого- то разряда двоичного числа равен двойке, возведенной в степень, показатель которой равен порядковому номеру указанного разряда.

Таким образом, чтобы перевести двоичное число 1011011 в десятичное, необходимо сложить 64 (26 ), 16 (24 ), 8(23 ), 2(21 ), 1(20 ). Десятичные эквиваленты разрядов, в которых записаны 0, в сложении не участвуют, так как 0 показывает, что значение этого разряда в состав числа не входит. В итоге получим, что 10110112 = 9110. Существует еще один способ перевода числа из двоичной системы счисления в десятичную, называемый методом удвоения. Данный способ хорош тем, что не требует знаний степени числа 2.

Предлагаем вам самим разобраться с действиями по этому методу, используя пример на следующей странице. Для того чтобы перевести десятичное число в двоичное, можно воспользоваться способом, при котором десятичное число последовательно делят на 2 до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Полученная при этом последовательность, состоящая из нулей и единиц, читаемая от последнего частного, и есть искомое двоичное число. Арифметические операции с двоичными числами производятся так же, как и с десятичными, нужно только не забывать, что в том разряде, где складываются две единицы, появляется единица переноса в следующий разряд, а текущий разряд обнуляется:

Применительно к электронно- вычислительной технике каждый разряд двоичного числа является минимальной единицей информации и называется «бит» (сокращенное от английского binari digit — двоичная цифра). Забегая вперед, заметим, что 8-разрядное (8- битное) число в ЭВТ называют байтом, а совокупность некоторого числа байтов (обычно 1 — 8) составляет машинное слово.

Двоичная система счисления соответствует двум состояниям электронных элементов — включено/выключено. По этому принципу работают реле, тиристор, в таком режиме легче работать транзистору (открыт/закрыт) и т. д. Такое кодирование электрических сигналов обеспечивает простоту, надежность и значительную скорость обработки информации. Именно такой принцип обработки информации лежит в основе узлов цифровых устройств — от простейших выключателей до сложных ЭВМ. Все они представляют собой комбинации базовых элементов цифровой электроники, которые называются логическими элементами.

В основе анализа работы логических элементов лежит математическая логика, описывающая связь между высказываниями. В ней символами обозначаются не числа, а высказывания. Высказывание может отвечать или не отвечать действительности. В первом случае оно истинно (равно 1), во втором — ложно (равно 0). Из любого высказывания путем операций в соответствии с законами алгебры логики можно получить новое высказывание.

  • ОТРИЦАНИЕ. Отрицание высказывания получается при использовании частицы НЕ. Обозначается чертой над символом высказывания. Например: 1=0,0=1.

  • УМНОЖЕНИЕ. Умножение высказываний производится при помощи союза И, в результате получается логическое произведение. Наиболее часто обозначается знаками «•» (точка — знак умножения) или «&». Например: 1 • 1 = 1, 1 & 1 = 1, 1 • 0 = 0, 1 & 0 = 0.

  • СЛОЖЕНИЕ. Сложение высказываний производится при помощи союза ИЛИ. Результат — логическая сумма. Обозначается знаком «+». Например: 1 + 1 = 10, 1 + 0 = 1 , 0 + 0 = 0. Используя три основных логических элемента цифровой электроники, реализующих указанные функции, можно создать практически любое цифровое устройство.