Основные логические элементы

Как правило, сложные цифровые устройства основаны на соединении по определенной схеме логических элементов НЕ, И, ИЛИ и комбинаций типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ и др.

Зависимость выходной логической переменной Y_i устройства от входных переменных X_j (j=1, 2,…,m) характеризуется логической функциейБулевой алгебры²³

Y_i=f_i(X₁, Х₂,…, Х_m) , i=1, 2,…,n .

Наиболее полная и распространенная форма представления логической функции – это таблица истинности. В табл. 4.4 представлены некоторые логические функции двух переменных Х₁ и Х₂ .

Основными операциями, выполняемыми с логическими переменными, являются дизъюнкция (ИЛИ), конъюнкция (И), инверсия (НЕ). На основании этих операций может быть построена любая логическая функция.

Таблица истинности типовых функций двух переменных

Таблица 4.4.

Интегральные схемы, предназначенные для передачи и обработки сигналов в логической цифровой форме – логических сигналов, называются логическими интегральными элементами. Условные обозначения логических элементов показаны на рис. 4.17.

Из логических элементов могут быть образованы различные в функциональном отношении логические схемы (ЛС). Среди них в зависимости от принципа обработки сигналов различают комбинационные и последовательные ЛС. В комбинационной ЛС сигнал на выходе зависит от сигналов, действующих на входах. Последовательная ЛС имеет память, сигнал на ее выходе зависит не только от сигналов на входах, но и от предшествующего состояния схемы (см. п. 1.6.4, п. 1.6.5).

Логическая схема с памятью

Одним из важнейших узлов логических элементов, который реализует функцию «Память», является триггер. Его выходная переменная зависит не только от комбинации значений двух входных переменных X₁ и X₂ , но и от предшествующего состояния триггера. Для того чтобы запомнить кратковременный входной сигнал X₁ =1 или X₂ =1 используется обратная связь. Выходная переменная Y подается на вход триггера. Если принять, что по сигналу X₁ =1 триггер должен устанавливать на выходе Y =1, а по сигналу X₂=1 устанавливать Y=0, то оператор триггера можно представить логическим выражением

Y=(X₁+Y)· ₂.

Одновременная подача сигналов X₁ =1 и X₂ =1 в рассматриваемом случае теряет смысл и исключается.

Схема реализации триггера в соответствии с приведенным логическим выражением показана на рис. 4.18а. Условное графическое изображение триггера, реализованного на интегральной схеме, приведено на рис. 4.18б.

Q=Y

По способу переключения и по закону функционирования триггеры можно разделить на следующие группы: RS-триггеры с раздельной установкой 0 и 1; D-триггеры задержки; универсальные JK-триггеры; T-триггеры счетные. Название триггеров определяется первыми буквами слов на английском языке: S (set - установить); R (reset - выключить); T (toggle - релаксатор); J (jerk - резко включить); K (kill - резко выключить); D (delay - задержка).Выходной сигнал триггера принято обозначать буквой Q.Приведенный на рис. 4.18 триггер относится к группе RS-триггеров. Такие триггеры, как и триггеры других типов, могут быть реализованы на различных логических элементах и поэтому могут быть представлены различными логическими схемами. Промышленность выпускает интегральные схемы триггеров.

Цифровые устройства

На основе логических схем и триггеров реализуют различные функциональные устройства цифровых систем управления (регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, сумматоры, запоминающие устройства и др.). На их основе может быть синтезировано унифицированное устройство с широким набором логических и вычислительных функций, воспроизведение которых осуществляется с помощью заранее составленной программы управляющих воздействий. Такое программно-управляемое унифицированное цифровое устройство, выполненное на большой интегральной схеме, называют микропроцессором (МП). Он предназначен для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Микропроцессор как управляющее устройство может входить составной частью в систему управления электронного аппарата.

Представим микропроцессор в виде некоторого «черного ящика» (рис. 4.19а). Он имеет вход и выход для рабочей информации (данные D, ) и вход для команд Х управления данными.

Внутри МП происходят два процесса: процесс обработки данных, в котором поступающие в МП данные D подвергаются логическим и вычислительным операциям и в новом качестве выводятся из МП, и процесс управления обработкой данных D на основе заранее составленной программы (Х).

Источником исходных данных и программы является запоминающее устройство (ЗУ). Приемником обработанных данных служит так называемое «устройство ввода-вывода» (УВВ), через которое обработанная цифровая рабочая информация в преобразованном виде передается на объект управления (ОУ), например, формирователь импульсов управления электронным ключом (рис. 4.19б). Из ОУ в УВВ по обратной связи может поступать информация о состоянии объекта управления. Поток рабочей информации может иметь обратное направление от УВВ к МП и к ЗУ. Это позволяет обрабатывать данные обратных связей и запоминать результаты операций, выполненных микропроцессором. Взаимосвязанная совместная работа всех устройств обеспечивается управляющими сигналами, которые передаются от МП к ЗУ и к УВВ. Согласование действий во времени достигается с помощью синхронизирующих импульсов, для выработки которых предусматривают генератор тактовых импульсов. При такой организации информационных процессов МП, ЗУ и УВВ в совокупности называют микропроцессорной системой управления.