Układy cyfrowe.

Prezentacja na temat: "Układy cyfrowe."— Zapis prezentacji:

1 Układy cyfrowe

2 Układ cyfrowy Układem cyfrowym (logicznym, przełączającym) nazywać będziemy układ, który przeznaczony jest do przetwarzania sygnałów cyfrowych (najczęściej dwuwartościowych – kody binarne).

3 Układ cyfrowy Układ cyfrowy można postrzegać jako „czarna skrzynkę” do której wprowadzane są sygnały cyfrowe (n – wejść) i wyprowadzany jest sygnał cyfrowy (m – wyjść) będący wynikiem przetwarzania przez układ cyfrowy wektora wejściowego. Liczba wejść do układu cyfrowego i wyjść z układu cyfrowego mogą się różnić: mn.

4 Przeznaczenie i obszary zastosowania układów cyfrowych
Układy cyfrowe wykorzystywane są w układach przeznaczonych do: wykonywania obliczeń, sterowania (systemy automatyki przemysłowej). Powyższe zadania są zbliżone, ponieważ sterowanie wymaga wykonania obliczeń niezbędnych do wypracowania sygnału sterowania.

5 Układ cyfrowy

6 Klasyfikacja układów cyfrowych względem skali integracji
Miarą skali integracji jest ilość elementarnych bramek logicznych. Można wyróżnić układy: Małej skali integracji zawierające od 1 do 10 bramek SSI (ang. Small Scale of Integration) - inna definicja mówi, że jest to układ zawierający do 100 elementów w jednej strukturze. Średniej skali integracji zawierające od 10 do 100 bramek MSI (ang. medim Scale of Integration) - inna definicja mówi, że jest to układ zawierający 1001000 elementów w jednej strukturze. Dużej skali integracji zawierające od 100 do bramek LSI (ang. Large Scale of Integration) - inna definicja mówi, że jest to układ zawierający 1000 elementów w jednej strukturze. Bardo dużej skali integracji zawierające ponad bramek VLSI (ang. Very Large Scale of Integration)- inna definicja mówi, że jest to układ zawierający ponad elementów w jednej strukturze.

7 Klasyfikacja względem skali integracji
Grupa elementów typu SSI obejmuje: elementy kombinacyjne (bramki logiczne), przerzutniki (synchroniczne i asynchroniczne). Grupa elementów typu MSI obejmuje: układy komutacyjne, rejestry, liczniki, bloki arytmetyczne, pamięci oraz programowane struktury logiczne. Grupa elementów typu LSI obejmuje: pamięci, programowane struktury logiczne.

8 Sygnał cyfrowy Sygnałami wejściowymi i wyjściowymi do układu cyfrowego są sygnały cyfrowe. W większości zastosowań są to zakodowane sygnały binarne, czyli sygnał który przyjmuje tylko dwie wartości: Poziom sygnału Stan Wartość logiczna Wartość liczbowa niski OFF FALSE wysoki ON TRUE 1

9 Algebra Boole’a <B,+,∙,~,0,1>
Algebra Boole’a jest algebrą z trzema operacjami wykonywanymi na dwuwartościowych argumentach. Argumenty w algebrze Boole’a to {0, 1} natomiast operacje to: sumy, iloczynu, negacji. <B,+,∙,~,0,1> Operacja sumy i iloczynu jest wykonywana dla dowolnej ilości argumentów. Natomiast operacja negacji wykonywana jest zawsze dla pojedynczego argumentu.

10 Operacja sumy Operacja sumy daje wynik równy 1, jeżeli co najmniej jeden z argumentów jest równy 1. Funkcja ta realizowana jest przez bramkę typu OR. Dla dwuargumentowej bramki otrzymamy tabelę stanów: a b a or b 1

11 Operacja iloczynu a b a and b 1
Operacja iloczynu daje wynik równy 1,wtedy i tylko wtedy gdy wszystkie argumenty przyjmują wartość 1. Funkcja ta realizowana jest przez bramkę typu AND. Dla dwuargumentowej bramki, otrzymamy tabelę stanów: a b a and b 1

12 Operacja negacji a NOT(a) 1
Operacja negacji zmienia wartość argumentu na przeciwną. Funkcja ta realizowana jest przez bramkę typu NOT. Dla dwuargumentowej bramki, otrzymamy tabelę stanów: a NOT(a) 1 Negacja będzie zapisywana przez umieszczenie kreski nad zmienną logiczną ā.

13 Operacja negacji sumy i iloczynu
Korzystając z trzech podstawowych operacji można wyznaczyć negację sumy (NOR) oraz iloczynu (NAND) . a b a nor b 1 a b a nand b 1

14 Bramki logiczne Poszczególne operacje logiczne realizowane są przez bramki logiczne, które rozpatrywane są jako podstawowe elementarne kombinacyjne. Można wyróżnić następujące typy bramek:

15 Bramki logiczne Zależnie od przyjętej normy bramki logiczne mogą być reprezentowane przez różne symbole.

16 Bramki logiczne Bramki logiczne mogą realizować funkcje logicznych wielu zmiennych wejściowych. a b c a and b and c 1

17 Omówienie bramek – bramka NOT
Najprostszą bramką logiczną jest inwerter, realizujący negację, czyli odwrócenie stanu logicznego. Często inwerter nazywa się bramką NO (nie), a pewien znajomy Amerykanin nazywa go bramką WIFE.

18 Omówienie bramek – bramka AND
Bramka AND wykonuje iloczyn logiczny. W algebrze zbiorów Boole'a iloczyn jest częścią wspólną zbiorów. Jeśli któryś zbiór jest pusty, siłą rzeczy nie ma części wspólnej.

19 Omówienie bramek – bramka NAND
Negację iloczynu NAND (NO - AND, nie - i) nazywa się bramką podstawową, bo z bramek NAND można złożyć wszystkie inne bramki logiczne. Najprościej inwerter; trzeba połączyć wejścia w jedno.

20 Omówienie bramek – bramka OR
Bramka OR, (lub) reprezentuje sumę logiczną. Wyjście przyjmuje logiczne 1, jeśli na którymkolwiek z wejść jest cokolwiek oprócz zera

21 Omówienie bramek – bramka NOR
Bramka NOR (nie - lub) jest negacją sumy logicznej. Stan wysoki na wyjściu jest tylko przy identycznym stanie wejść

22 Omówienie bramek – bramka EX-OR
Bramka Exclusive OR nazywa się po naszemu sumą modulo 2, ponieważ realizuje sumę dwóch liczb binarnych, ale bez przeniesienia na najwyższej pozycji. Z tej racji nazywa się ją też ćwierćsumatorem.

23 Kod 1 z n stosowany głównie w elektronice sposób kodowania, w którym słowa binarne o długości n bitów zawierają zawsze tylko jeden bit o wartości 1. Pozycja jedynki determinuje zakodowaną wartość; jest to więc kod pozycyjny, bezwagowy. Używa się również negacji kod 1 z n, tj. pozycja 0 koduje wartość, reszta bitów jest ustawiona.

24 Kod 1 z n Wartość dziesiętna Wartość binarna Kod 1 z 10 0000
0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001

25 Koder układ posiadający k wejść oraz n wyjść (k=2n)
zamienia kodu "1 z k" na naturalny kod binarny o długości n. Służy do przedstawiania informacji tylko jednego aktywnego wejścia na postać binarną

26 Koder Jeśli na wejście strobujące (blokujące) S (ang. strobe) podane zostanie logiczne zero, to wyjścia yi przyjmują określony stan logiczny (zwykle zero), niezależny od stanu wejść x

27 Dekoder układ posiadający n wejść oraz k wyjść (k=2n).
zamienia naturalny kod binarny (o długości n), lub każdego innego kodu, na kod "1 z k" (o długości k). Działa odwrotnie do kodera, tzn. zamienia kod binarny na jego reprezentację w postaci tylko jednego wybranego wyjścia. W zależności od ilości wyjść nazywa się go dekoderem 1zN.

28 Multiplekser układ służący do wyboru jednego
z kilku dostępnych sygnałów wejścia i przekazania go na wyjście Multiplekser jest układem komutacyjnym (przełączającym), posiadającym k wejść informacyjnych (zwanych też wejściami danych), n wejść adresowych (sterujących) (zazwyczaj k=2n) jedno wyjście y wejście sterujące działaniem układu oznaczane S (wejście strobujące, ang. strobe) lub e (ang. enable).

29 Działanie multipleksera polega na przekazaniu wartości jednego z wejść xi na wyjście y. Numer i wejścia jest podawany na linie adresowe a0... an-1. Jeśli na wejście sterujące (blokujące) S podane zostanie logiczne zero, to wyjście y przyjmuje określony stan logiczny (zazwyczaj zero), niezależny od stanu wejść X i A.

30 Demultiplekser układ posiadający
jedno wejście x n wejść adresowych k wyjść (zazwyczaj k=2n), działanie polega na przekazaniu sygnału z wejścia x na jedno z wyjść yi. Wyjście jest określane przez podanie jego numeru na linie adresowe a0... an-1. Na pozostałych wyjściach jest stan zera logicznego.

31 Demultiplekser zazwyczaj spotykane są demultipleksery o wyjściach zanegowanych, czyli na wybranym wyjściu jest stan ~x a na wszystkich pozostałych 1 logiczna Demultipleksery o wyjściach prostych są znacznie rzadziej stosowane jeśli na wejście strobujące (blokujące, ang. strobe) S podane zostanie logiczne zero, to wyjścia yi przyjmują określony stan logiczny (zwykle zero), niezależny od stanu wejścia x oraz od wejść adresowych

32 Opracowane przez mgr. Roberta Strzeleckiego z Zespołu Szkół Ponadgimnazjalnych Nr 1 w Jarocinie na podstawie prezentacji dra inż. Krzysztofa Falkowskiego z Wyższej Szkoły Ekonomiczno Technicznej (orginał również do pobrania w dziale „inne”), strony www Jacka Tomczaka „Technika Cyfrowa” oraz informacji z .